很多人在解释战斗机座舱盖强度的时候,很喜欢引用一个数据,那就是鸟撞的情况,比如美军F-22战斗机的座舱盖,就可以抗击相对速度(注意是相对速度)1马赫左右的1.8千克的小鸟的直接撞击(厚度最厚处才2厘米)。这个速度究竟能有多快,威力能有多大呢?不是很恰当的类比了下,大约相当于突击步枪的子弹射出瞬间的,这样的子弹甚至直接射穿薄钢板。所以也有俄罗斯测试米-28座舱盖的时候,直接使用AK-74对着扫射来检验效果;更有甚者,使用12.7重机枪在十几米外对着连发数枪,当然这只是一个“强度”体现的情况。
(公开论文中展示的座舱盖在不同条件下的温度情况,有些模糊但是也能说明问题)
一般在考虑强度的时候,大家都会使用“兆帕”这个单位,却可能忽视另一个问题:环境参数。由于低空、高空、中空、不同速度不同湿度下座舱盖所处的环境不同,自然需要的强度也不一样。同时,在保证的强度的同时,还要考虑透光、保温等等情况。比如,大家都听说过在高空出现过座舱盖爆的情况,其实就是在以前对这个问题认识不足,在高空高速的条件下,材料的强度反而在降低,再加上很多座舱盖本身还内嵌爆炸索,这使得强度进一步降低,最终就出现了座舱盖高空爆裂的情况。因此很难用几个数值来表达这个座舱盖的强度问题。
一般设计座舱盖的时候,要考虑飞机的性能剖面的基础特点,比如在不同马赫下可能进行大动作载荷,还有常温、低温等情况,不仅仅是要考虑强度设计,还要考虑一些主动的问题调节设计。
说了这么多,其实就是为了解释一个问题,单纯用几个参数或者几个案例来说明“强度”这个复杂的问题,本身就有一些以偏概全。所以,对于一般大众来说我们需要明确的就是,一个座舱盖的设计背后甚至要包含数万小时设计人员和测试人员辛劳工作,而且类似于歼-20这样的全透明气泡舱盖更是全球极少国家能造出来的高档货。
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现代战斗机座舱盖在强度方面主要要求在于防鸟击,特别是风挡部位。至于防座舱内外气压差导致的爆裂,这只是次要要求,能通过鸟击测试的座舱盖一般都能满足抗爆性要求。
事实上,在没有外因或外部座舱盖玻璃外部损伤的情况下,战斗机座舱该玻璃爆裂事故很少见,。最近的一次是2016年12月,美国海军VAQ-132“蝎子”中队的一架EA-18G“咆哮者”(“超级大黄蜂”的电子战型号)在地面时遭遇环控系统故障,座舱压力急剧增加,最后吹爆了座舱盖玻璃。
对战斗机威胁更大的是飞鸟。根据动量定理,一只0.45千克的飞鸟与时速960公里的飞机相撞时,会产生21.6万牛顿的冲击力,威力相当于一枚炮弹,足以造成致命后果。例如在1999年7月1日,美国空军的一架F-16战斗机在低空训练时座舱盖遭遇鸟撞,导致座舱盖顶部下陷19毫米重击飞行员头部,飞行员随后失去意识,机毁人亡。
因此战斗机座舱盖风挡玻璃需要具有足够强度来抵御鸟击。风挡抗鸟撞性能指标一般要求是:风挡透明件和支撑结构应具有足够的强度,能承受飞机在海平面上作最大设计平飞速度飞行时1.8千克的飞鸟的撞击而不被穿透。以F-22“猛禽”为例,该机座舱盖厚度为20毫米,迎面强度达到196兆帕(可承受以相对速度1018千米/小时正面的一只1.8千克重飞鸟的撞击)。
战斗机座舱盖还有另一个强度要求,那就是在超音速下不会因气动摩擦而受热变软。如F-16战斗机的座舱盖在速度超过1.6马赫之后,空气摩擦的加热会导致聚碳酸酯座舱盖变软,最终破裂。为了解决高速下座舱盖的强度问题,F-22的座舱盖采用丙烯酸酯和聚碳酸酯类夹层结构,能承受2.0马赫下的110摄氏度气动加热。
俄罗斯苏-57战斗机更是以硅酸盐玻璃为主的复合多层结构透明材料来制造座舱盖和风挡玻璃,在满足抗鸟击性能的前提下大幅提高了耐热性能,有利于该机超音速性能的发挥。