美国五代战斗机座舱透明件技术的进展如何？

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：冯海兵，题图来自：Wikipedia

座舱透明件是战斗机的关键部件，一般前面部分称作风挡，后面部分称作座舱盖，对飞机和飞行员的安全有重大影响。

在飞行过程中，座舱透明件能承受各种载荷作用，战斗机座舱透明件要求结构强度高、飞行员的视野宽，有良好的冲击韧性和光学质量，并能经受恶劣的飞行环境。

目前用于战斗机座舱透明件的材料有聚甲基丙稀酸甲酯（俗称有机玻璃）材料和聚碳酸酯材料两大类。

战斗机有多种划代方法，本文介绍被国际航空界广泛接受的把F-22视为五代机的划代方法，详见下表：

第一代战斗机的主要特点是喷气式、亚音速，史称战斗机的“喷气革命”，以航炮攻击为主，空战能力主要取决于飞机的盘旋角速度和能量爬升率，典型代表机型如F-86战斗机。

F-86佩刀战斗机是美国设计的第一代喷气式战斗机，是早期设计最为成功的喷气式战斗机。

正面风挡是增强无机玻璃/胶片/增强无机玻璃结构，两侧是弧形有机玻璃风挡，后部分是有机玻璃气泡座舱盖，未采用任何功能的膜层。

F-86佩刀战斗机

第二代战斗机采用了更加成熟的喷气发动机和更加先进的气动外形，飞行速度突破了声障，空战武器开始使用早期的空空导弹，典型代表机型如F-100战斗机。

F-100“超佩刀”战斗机是世界上第1种实用化的具有超音速平飞能力的喷气式战斗机，首次广泛利用钛合金，主要型号有A、C、D、F等，在海上最大速度可达1238.93 km/h，最大航程为3209.96 km。

F-100“超佩刀”战斗机

其座舱透明件由正面无机夹层防弹玻璃风挡、两侧弧形有机玻璃风挡、2个单层有机玻璃气泡座舱盖组成，舱盖之间加了一道骨架支撑，两侧各有一小块弧形有机玻璃座舱盖，未采用任何功能的膜层。

第三代战斗机采用了非能量机动原理设计，强调超音速性能，但由于忽视了机动性标准而不太成功，典型代表机型如F-4系列战斗机、诺斯罗普F-5系列战斗机。

F-4系列战斗机的座舱透明件由正面无机夹层防弹玻璃风挡、两侧弧形单层有机玻璃风挡、两个单层有机玻璃气泡座舱盖组成，舱盖间加了一道骨架支撑，两侧各有一小块弧形有机玻璃座舱盖，未采用任何功能的膜层。

F-4G战斗机

诺斯罗普F-5系列战斗机是美国比较成功的出口飞机之一，最大速度1.4 马赫，座舱透明件由单层有机玻璃风挡和单层有机玻璃气泡座舱盖组成，双座型F-5系列战斗机的座舱透明件由有机玻璃风挡和2个有机玻璃气泡座舱盖组成，均未采用任何功能的膜层。

F-5 B战斗机

第四代战斗机强调中近距离空战和空空格斗，强调符合能量机动原理设计、超音速，典型代表机型如F-14战斗机、F-15战斗机、F-16战斗机、F-18战斗机、F-117战斗机。

F-14雄猫战斗机主要执行防御、截击、打击等任务，最大速度2.4马赫，包括F-14A/B/D这3种型号，是空优战机，滞空时间长、航程远、可在空中加油。

F-14战斗机

其座舱透明件由无机夹层防弹透明件风挡、两侧弧形单层有机透明件风挡、2个单层有机透明件气泡座舱盖组成，座舱盖间加了一道骨架支撑，未采用任何功能的膜层。

F-14战斗机具备空中加油能力

F-15鹰式战斗机是全天候、双引擎、高机动性重型战斗机，服役至今已有46年。

早期的座舱透明件由聚碳酸酯/胶片/聚碳酸酯层合结构的风挡和有机玻璃座舱盖组成，耐老化性能差，易发生紫外老化降解，更换率和使用成本高。

F-15E战斗机

之后，风挡结构采用定向有机玻璃/胶片/聚碳酸酯/胶片/定向有机玻璃多层结构。

20世纪70年代后期，部分F-15战斗机座舱透明件镀有绿紫色氧化铟锡导电膜（简称ITO膜），具有隐身功能，这是美国最早镀隐身膜的战斗机。

镀ITO 膜的F-15A 76-0111战斗机

F-16战斗机是世界上最成功的战斗机种之一，最大速度超过2.0马赫，至今已有10 多种改型，有“国际战斗机”之称，其座舱透明件在材料、设计、制造和试验等多方面运用了一系列新技术。

风挡部分需要有较强的抗鸟撞能力，厚度一般是座舱盖后的2倍以上，采用一体化结构，后期改为风挡和座舱盖分开的结构以降低成本。1976年~1980年，美国4家公司分别发展了多种结构层合透明件。

F-16战斗机的座舱层合结构示意

A为有机玻璃；P为聚碳酸酯；U为聚氨酯；S为有机硅；I为中间层；C为涂层

1984年开始，F-16透明件在聚碳酸酯的内表面制备了方块电阻为30 Ω的透明导电复合膜——“太阳涂层”，该涂层具有减少热能进入座舱的功能，但未解决外表面的静电问题。

F-16战斗机的隐身涂层结构示意

1993年，Pilkington航空和航天公司为空军生产了3件F-16A/C飞行试验件，这种透明件具有静电释放功能，为达到兼有减少进入座舱的热能、静电释放和对雷达波隐身的功能，在有机玻璃的外表面先后采用了金、ITO、金属等导电复合膜。

镀金膜的F-16无隔框座舱透明件

导电复合膜能够极大减少雷达波射入量，避免雷达波在座舱内反射造成更大的回波，有助于减小雷达截面积（RCS）。

镀ITO膜的F-16座舱透明件

F/A-18是为美海军研制的超音速多用途战斗机，最大速度1.8马赫。

F/A-18C战斗机

早期的F/A-18飞机座舱透明件风挡采用聚碳酸酯/胶片/聚碳酸酯多层结构，座舱盖采用单层有机玻璃，座舱透明件呈现出厚聚碳酸酯的暗蓝色，内外表面采用了类似C254耐磨涂层来提高透明件表面抗划伤能力、延长使用寿命。后期生产的座舱透明件呈现出镀ITO膜的绿紫色。

镀ITO膜的F/A-18E战斗机

F-117战斗机是世界上第1种隐形战斗机，最大速度0.9马赫，其三角形座舱透明件采用增强无机玻璃+PU胶片+增强无机玻璃结构，座舱透明件上为5片无机层合玻璃，前方3片、两侧2片。

F-117隐身战斗机

F-117战斗机座舱透明件采用增强无机玻璃层合结构，向后掀起打开，前缘为锯齿状，可减弱座舱透明件和机身之间接缝引起的雷达反射，表面可能镀有绿紫色ITO导电膜，推测其透明件镀低电阻ITO导电膜是一个既能制备低电阻又能有较高透过率的较佳方案。

82-806 F-117隐身战斗机座舱透明件残骸

第五代战斗机具有突出的隐身性能、超音速巡航能力、超常规机动性和敏捷性、全环境作战能力，采用推重比为10的一级涡扇发动机、隐身技术、相控阵火控雷达和推力矢量技术等，以空空导弹为主要武器，典型代表机型如F-22战斗机、F-35战斗机。

高隐身性F-22“猛禽”战斗机是世界上第1种进入服役的第五代战斗机，也是当今世界综合性能最佳的战斗机，难以被俄防空雷达探测盗，作战效能是F-15战斗机的3倍，能在500 m长的跑道上起降，最大飞行速度2.1马赫，但价格昂贵，单机价格1.5亿美元。

F-22“猛禽”战斗机

该机整体式座舱透明件尺寸达到了史无前例的3 m×1 m×0.76 m的超大尺寸，重达163 kg，座舱透明件采用约20 mm的聚碳酸酯材料制备，弹射座椅为火箭抛射方式。

座舱能承受1.8 kg的鸟以1018 km/h的速度撞击，具有优异的隐身性能、光学性能、泄静电防雷击以及能抗雨、沙石的冲刷损伤等多种功能，舱盖上的涂层具有“既软又硬”的特点。

F-22“猛禽”战机座舱透明件

目前，制造F-22座舱透明件用的是体积注射成形技术。EnviroTech公司、波音公司及美空军已成功制成厚达66 mm的飞机透明材料，并具有所需的结构性能及光学性能，处于世界绝对领先水平。另有人认为座舱透明件采用的是板材模压成形工艺。

F-35A战斗机图

座舱透明件呈金黄色，无绿紫色，推测采用了ITO/Au合金复合隐身膜、铟铋复合膜、ITO或Au掺杂高价金属元素等复合金属膜。

F-35A战斗机

F-35“闪电II”战斗机是由多国参与的多用途战斗机，主要用于目标轰炸、防空截击等多种任务，最大速度1.6马赫，发展出3种主要的版本（F-35A型、F-35B型及F-35C 型），具备较高的隐身设计、先进的电子系统以及一定的超音速巡航能力，能够在雷达不开机的前提下发射导弹。

F-35B战斗机

其座舱透明件为整体式，风挡部分采用定向有机玻璃/胶片/聚碳酸酯材料层合结构，座舱采用较薄的定向有机玻璃材料，同风挡是一个整块有机玻璃，内部有加强隔框。

座舱透明件呈黄色和紫色，无绿色，推测采用了ITO/Au金属复合隐身膜或ITO掺杂其他高价金属复合膜。

F-35C战斗机

隐身飞机正在不断向全方位、全天候、超宽频、智能化方向发展，隐身技术研究将在注重雷达隐身研究和应用的基础上，大力展开视频、红外、声、磁、激光、可见光等多方面隐身技术的研究。

1）采用以金属网栅等为代表的超低电阻高透过率超结构隐身材料。将金属丝加工得更细、透光率更高成为可能，特别是解决了在超大尺寸复杂形状的有机材料上金属网栅的制备问题，将大大提高目前隐身水平。

2）采用变换光学原理的新型超材料隐身。超材料研究有望在将来应用到战斗机透明机隐身领域。

3）新型透明金属复合膜代替ITO 或Au 等导电隐身膜具备全方位的超级隐身性能。

4）新型透明耐更高温度的飞机座舱透明件用材料代替目前有机玻璃和聚碳酸酯材料，采用新的镀膜技术和工艺，能制备出超低电阻高透明的隐身膜层。

5）等离子体隐身技术。使用一台超过20万V的高压静电发生器产生等离子体，使飞机隐身的同时还能防护飞行器不受微波武器的袭击，一方面处于等离子体罩中，同时又抑制水蒸气凝结物的红外辐射。座舱透明件要求飞行员不受等离子体伤害而无需考虑隐身，需要研究座舱透明件上等离子的防护技术。

6）电位差隐身技术。其方法是在飞机前缘充以正电荷，而在尾喷管出口处的气流中充以负电荷，前后两种电荷间的电位差达1500万V，在阳极与阴极之间嵌入吸收电磁能量的介电蒙皮材料，当在飞机前缘充以正电时，前缘周围的空气产生电离，达到隐身目的。座舱透明件要求飞行员不受超高压伤害而不用考虑隐身，需要研究座舱透明件上超高压的防护技术。

7）隐身无人机。美空军正在秘密研制一种雷达探测不到的无人驾驶轰炸机“黑星”，以其独特的高气动性能、低RCS及隐身效果极佳，难以用任何波段的雷达探测，如果发展到大量无人机代替目前的各种战斗机，战斗机座舱透明件将退出历史舞台。

本文来自微信公众号：科技导报（ID：STReview），作者：冯海兵（中国建筑材料科学研究总院有限公司，高级工程师，研究方向为飞机透明件有机镀膜及涂层）