國外下一代戰斗機和高超聲速飛機結構技術發展綜述

馬征

國外下一代戰斗機和高超聲速飛機結構技術發展綜述

馬征

（中國航空研究院，北京 100029）

以第六代戰斗機、高超聲速飛機等航空裝備為重點，開展國外先進飛機典型技術特征分析，針對技術特征提出先進飛機結構技術的發展需求，梳理先進復合材料結構、變體結構、多功能結構、熱防護結構等關鍵技術的發展現狀，為未來技術發展提供參考。

復合材料結構；變體結構；多功能結構；熱防護結構

0 引言

未來空戰裝備正經歷著機械化、信息化、智能化的躍升發展[1]，以第六代戰斗機、高超聲速飛機為代表的作戰飛機是未來作戰體系（系統簇）中的核心裝備，代表了航空裝備最先進的技術水平。隨著國外第六代戰斗機、高超聲速飛機等典型先進飛機論證和設計工作的推進，其技術特征逐步清晰，開展先進航空裝備結構技術的發展需求研究，具備新形勢賦予的可行性和必要性，先進復合材料結構、變體結構、多功能結構、熱防護結構作為結構領域的關鍵核心技術，需密切跟蹤其技術發展現狀，研判技術發展趨勢，從而支撐未來航空裝備的發展。

1 國外先進飛機典型技術特征分析

1.1 國外第六代戰斗機典型技術特征分析

為奪取未來空中優勢，美歐各國均已把第六代戰斗機的研發提上日程，且不斷加快研發步伐[2]。其中，2018年7月，英國對外宣布了“暴風”（Tempest）戰斗機研發項目[3]，目前正在開展概念研究；2019年9月，美空軍“下一代空中主宰”（NGAD）項目開始以“系統簇”理念取代單一高性能平臺[4]；2020年2月，法德兩國政府授出“未來作戰航空系統”（FCAS）初始框架合同，正式啟動演示驗證研究，計劃于2026年開展飛行驗證[5]，第六代戰斗機項目特征總結如下。

1.1.1 美空軍NGAD項目

1）使命任務

美空軍NGAD項目發展跨空、天、網、電，并能與地面／水面能力強聯合的網絡化“系統簇”，以獲取空中優勢。未來空戰平臺是該“系統簇”的核心裝備，將可同時遂行火力打擊、信息獲取、數據處理、目標指示等多種功能。

2）概念方案

在圖1的波音和洛馬公司提出的概念方案中，均采用雙發、后掠翼、翼身融合的無尾氣動布局。

3）典型技術特征

與裝有下一代先進電子攻擊裝備、先進綜合防空系統、無源探測系統、綜合自防御系統、定向能武器和網絡電磁攻擊設備的敵軍對抗；在航程、續航時間、生存力、網絡中心戰、態勢感知、人－機系統綜合及武器效能等方面擁有更強能力。

1.1.2 法、德FCAS項目

1）使命任務

圖2中的FCAS項目旨在開發一個人工平臺、無人機和武器等多種裝備互聯并協同作戰的“系統簇”，成員裝備共同實施空戰行動，協同奪取制空權。可使用定向能武器、高超聲速彈藥等新型武器，在打擊作戰的同時可遂行指揮控制等任務。2035年至2040年裝備法國、德國和西班牙空軍，取代目前的“陣風”戰斗機、“臺風”戰斗機和F/A-18“大黃蜂”多用途戰斗機。

2）概念方案

FCAS采用雙發、雙后掠三角翼、外傾雙垂尾布局，綜合了俄羅斯的蘇-57和美國F-35的設計特點。

3）典型技術特征

FCAS具備低可探測、高生存力、遠航程、數據融合、智能化、經濟可承受等特點。

圖2 空客集團提出的FCAS概念方案

1.1.3 英國Tempest戰斗機項目

1）使命任務

Tempest戰斗機可執行各類軍事任務，系統設計支持“即插即用”和“可擴展的自主性”。采用“協同交戰能力”技術，共享信息，與天、空、陸、海、賽博各疆域平臺進行互操作。

2）概念方案

圖3中的Tempest戰斗機采用雙發、后緣鋸齒三角翼、V形垂尾，將搭載機載激光武器、高超聲速武器。

3）典型特征

Tempest戰斗機具備低可探測性、任務靈活性、較強的連通與協作能力、經濟可承受且易于升級。綜合來看，美國和歐洲第六代戰斗機在使命任務和典型特征上的構想具有一定的相似度，對于平臺的遠航程、超聲速巡航、多任務能力、低可探測性、信息交互與融合、經濟可承受性等方面的要求高度一致。

圖3 Tempest戰斗機發展設想

1.2 國外高超聲速飛機典型技術特征分析

高超聲速飛機憑借其特殊的高度、速度優勢，將對傳統的戰爭模式及作戰樣式產生革命性影響，是未來大國之間非接觸對抗與空天對抗的戰略支點，高超聲速技術也已被美國防部列為五大改變游戲規則的技術之一[6]。2007年，波音公司啟動了Manta高超聲速飛機研究項目。2013年，洛馬公司提出SR-72高超聲速飛機概念方案，2018年6月，歐洲“地平線2020框架計劃設立超聲速民用飛機技術驗證項目”（StratoFly）。2019年，法國國防部長宣布將在2021進行高超聲速滑翔飛行器驗證機V-max的飛行試驗。2020年3月，美軍成功開展“通用高超聲速滑翔體”飛行試驗，驗證了向武器轉化的可行性。

1）美國高超聲速飛機

隨著美國空軍未來高超聲速飛機論證工作的不斷深入，近來已經有越來越多分系統或部件級的相關指標在預算材料、招標公告等各種官方文件中披露出來。綜合美國空軍高級官員以及空軍發布的項目指南信息，美國空軍未來高超聲速飛機或將采用碳氫燃料渦輪基沖壓組合發動機，巡航速度馬赫數5～7，高度為25～30km，巡航時間為30 min ～60min，典型航程可達5500km～6000km。

2）歐洲StratoFly高超聲速飛機

StratoFly重點研究推進系統集成、熱結構、熱管理等技術，計劃采用液氫燃料，實現3h從歐洲飛到澳大利亞，同時每千米二氧化碳排放量降低75%～100%，氮氧化物排放量降低90%。StratoFly采用鴨翼布局，巨大橢圓形進氣道和一體化尾噴管。尾噴管兩側各有一副傾斜垂尾。該機從起飛爬升到馬赫數4.5，使用6臺渦輪沖壓發動機。速度達到馬赫數4.5后，將轉換到雙模態亞燃/超燃沖壓發動機（DMR），以亞燃模態繼續加速到馬赫數5，以超燃模態加速到馬赫數8。

1.3 國外先進飛機結構技術發展需求

未來先進飛機的飛行空域和速域在擴大，飛行包線不斷擴展，高速度、遠航程、多任務能力、寬隱身性、高生存力、經濟可承受是未來先進飛機的典型特征。對于機體結構而言，更高的平臺性能指標同樣對飛機結構提出了新的要求，其中： 1）高速度不僅需要機體結構具有足夠的強度以承受過載，還需要具有很強的耐高溫性能來支撐高超聲速飛行；2）遠航程要求機身采用更加輕質高強的結構材料，從而提高結構承載效率、降低油耗，具有輕量化先進復合材料結構技術需求； 3）多任務能力要求戰斗機在不同任務狀態和外界環境下均具有較優的氣動性能，智能變體結構或將成為有效解決途徑之一； 4）寬隱身要求飛機具有更小的雷達散射面積，超材料紅外隱身涂層、智能蒙皮天線等多功能結構的重要性日益凸顯； 5）生存力是軍用飛機設計的重要指標，直接影響戰斗機的作戰能力，未來先進飛機的高生存力特征要求飛機結構具有較高的抗毀傷性能； 6）經濟可承受性要求平臺的設計、制造、試驗、保障成本可控，從而具有結構低成本、模塊化制造的需求。為滿足未來飛機結構輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的發展需求，國外在先進復合材料結構技術、變體結構技術、多功能結構技術和熱防護結構技術等方向開展研究。

2 先進飛機結構技術

2.1 先進復合材料結構技術

復合材料憑借其高比強度、高比剛度、耐疲勞、抗腐蝕等優點，在現代飛機結構的設計與制造中得到廣泛的應用[7]，美國第四代戰斗機F-22的復合材料用量達到24%，第五代戰斗機F-35的復合材料結構用量達到約35%。波音公司的波音787客機的復合材料用量達到50%，空中客車公司的A350XWB寬體客機，復合材料使用比例高達52%，部分無人機的主要機體結構甚至全部采用復合材料。近年來，國外先進復合材料結構的研究重點包括大型整體復合材料結構一體化設計制造和復合材料結構優化設計。

2.1.1 大型整體復合材料結構一體化設計制造

先進復合材料的使用量已經成為衡量飛機結構先進性的重要標志，并且是提高飛機性能和市場競爭力的重要手段[8]。隨著對復合材料結構力學性能分析方法的逐漸成熟，復合材料結構逐漸由小的非承載構件向大型關鍵承載部件過渡。

2019年，美國斯普利特公司展示了為下一代飛機設計的“先進結構技術和革命性結構”（ASTRA）機身整體壁板演示件（見圖4），采用蒙皮壁板和縱梁一體化成型技術，將新型高性能復合材料(T1100 / 3960)、新型編織復合材料方法和斯普利特公司的結構設計制造能力相結合。經分析計算，與傳統鉚接結構相比，可降低成本約30%，并使飛機機身結構重量降低約5%。

圖4 ASTRA機身整體壁板演示件

2019年，由英國、法國、德國、西班牙等國家共同開展的“明日之翼”項目取得重要進展，空中客車公司設計并制造了長5m的復合材料結構件。“明日之翼”計劃為下一代單通道飛機開發復合機翼，其機翼主要結構由碳纖維復合材料構成，該項目預計在2022年初完成。在“明日之翼”項目中，復合材料結構部件的制造工藝得到改進，開發了自動化程度更高的新裝配方法，減少了工藝步驟和零件數量。2020年，歐盟“潔凈天空2凈計劃完成了高速低成本直升機碳纖維復合材料機蓋結構的一體化設計與制造，減輕了結構重量，減少了零部件數量，大幅節省組裝時間。

2.1.2 復合材料結構優化設計

復合材料結構具有可設計性，通過適當的剪裁設計可以得到所需的強度、剛度等力學特性。2017年，在美國國家航空航天局（NASA）航空研究任務理事會的先進航空運輸技術項目資助下，弗吉尼亞的Aurora飛行科學公司開發了“被動氣動彈性剪裁機翼”（Passive Aeroelastic Tailored ,PAT），通過對復合材料結構獨特的設計和優化，得到了更輕、更高效、更具柔性的機翼結構。2018年9月和10月，展長12m的PAT機翼試驗樣件分別在NASA位于加利福尼亞州的阿姆斯特朗飛行研究中心進行了兩輪載荷試驗（見圖5）。試驗中使用了超過10000個傳感器對機翼結構狀態進行監測。試驗證明，優化后的機翼結構能在載荷作用下達到預期的變形效果，其應用將最大限度地提高結構效率、減輕機翼結構重量并提高飛機燃油效率。

2.2 變體結構技術

變體結構技術是指飛機在飛行過程中，通過改變飛機結構形狀以及剖面，使飛機能適應不同的飛行條件，從而實現性能和效率最優的技術。

圖5 PAT機翼開展載荷試驗

飛機變體結構技術通過改變機體結構氣動外形，確保飛行器在不同飛行狀態下持續獲得最優氣動效益，一直是航空領域的研究熱點[9-11]。隨著壓電陶瓷、形狀記憶合金等智能材料和控制技術的進步，變體飛機的驅動方式不再局限于機械機構的形式，部分采用智能材料驅動器的變體飛機方案已經完成設計并進行了風洞試驗和飛行試驗。目前飛機變體結構技術方面最具有代表性的研究項目是歐盟“靈巧智能飛機結構”（SARISTU）項目、美國“自適應柔性后緣襟翼”（ACTE）項目[12]和美國NASA的“任務自適應數字化復合材料航空結構技術”（MADCAT）項目。

2.2.1 歐盟“靈巧智能飛機結構”（SARISTU）

SARISTU項目是歐盟第七框架（FP7）航空學和航空運輸研究計劃下的大規模集成驗證項目，通過在飛機承載結構中集成新系統和新技術的方式，實現飛機減阻、降噪、結構健康監控、減重和降低制造和運營成本。項目經費5100萬歐元，項目周期2011年9月～2015年8月，由空客公司牽頭。SARISTU項目設計制造了大尺寸變形機翼驗證件，采用電機和鉸接結構驅動機翼前緣、后緣襟翼和翼稍，實現了機翼前后緣的無縫連續變形，有助于飛機降噪降耗，如圖6所示。

2.2.2 美國“自適應柔性后緣”（ACTE）項目

ACTE項目由美國宇航局（NASA）和柔性系統公司（FlexSys）合作開展，旨在研制一種可連續變形的柔性后緣襟翼，并通過飛行驗證，證明其變形能力和減阻、降噪能力。2014年，ACTE變形襟翼在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心開展飛行試驗，如圖7所示，實現了在馬赫數0.75速度下?2°～30°的變形。2017年，該自適應柔性后緣結構開展第二輪飛行試驗，襟翼形狀保持為內段向下偏轉2.5°、外段向上偏轉2.5°，實現了機翼的扭轉變形，試飛最大速度接近馬赫數0.85，此外，還對飛機加裝了測試設備以便對燃油流動進行監測，分析扭轉襟翼對燃油效率的影響。

圖6智能機翼結構演示樣件

圖7 試飛中的ACTE變形襟翼

2.2.3 MADCAT 項目

美國NASA和麻省理工學院聯合開展了“任務自適應數字化復合材料航空結構技術”（MADCAT）項目，設計了一種柔性機翼，主要由桁架結構、柔性蒙皮、驅動系統三部分組成，桁架結構由體積元通過微型螺栓連接而成，其中體積元是由高剛度碳纖維復合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為條帶狀聚酰亞胺薄膜，通過固定銷與桁架結構連接；驅動系統主要包括伺服電機和轉向管。轉向管在伺服電機的驅動下帶動桁架結構連續變形，同時條帶狀蒙皮沿機翼變形方向滑動，維持光滑的氣動表面。2017年6月，“積木式”柔性機翼的平直翼模型完成了原理性飛行試驗，該機翼無襟副翼，能實現從翼尖到翼根的連續扭轉變形，最大扭轉角度±10°，具有良好的升阻特性和操縱性能。2019年，“積木式”柔性結構制造的展長4.27m的飛翼飛機模型在NASA 蘭利研究中心完成風洞試驗，如圖8所示。NASA稱，“積木式”柔性機翼通過在飛行過程中連續光滑變形，能有效提升飛機操縱性和經濟性。這種模塊化的機翼結構概念，可用于未來新型轟炸機和高空長航時無人機，成為未來飛機提高機動性、降低成本的重要途徑之一。

圖8 積木式結構組裝的飛翼模型風洞試驗

2.3 多功能結構技術

多功能結構（MFS）使結構的承載與功能性相結合，提高了承載結構和功能設備之間的集成性，在減輕重量、節省空間方面具有很大的潛力。目前，研究較多的多功能結構是智能蒙皮天線、儲能與承載一體化結構等[13][14]。

2.3.1 智能蒙皮天線

智能蒙皮天線是指既能承載，表面又能發揮天線功能的結構。這種集成化的多功能天線結構，避免了在飛機結構上安裝復雜的天線接口，降低了結構重量，此外，整體天線的氣動外形更為光滑，減弱雷達反射信號，增強飛機的隱身性和生存能力。美國空軍研究實驗室提出的“傳感器飛機”概念中，即采用了諾斯羅普·格魯門公司研制的“智能蒙皮”。2015年，NASA采用超材料智能技術將機載通信天線、合成孔徑雷達和飛機垂尾共形設計，既實現了全方位的快速雷達波束掃描，又滿足了低可探測性的關鍵指標，解決了雷達探測和隱身的兼容問題，該技術已在美軍多個飛機型號上獲得應用。2019年，英國科巴姆航空航天通信公司將天線功能集成在機身復合材料結構中，取代了外置天線。采用嵌入式共形天線結構，有助于減少零件數量，縮短生產周期，消除外部天線對氣動外形的破壞從而降低阻力。該技術獲得了2019年空中客車直升機公司創新獎。

2.3.2 儲能與承載一體化結構

目前，航空領域正在逐步開展能源變革，電動飛機得到快速發展，電動飛機想要增加續航時間，就必須進一步減少結構重量，因此，集儲能與承載一體化的多功能結構具有重要的應用前景。2019年，由NASA和俄亥俄州聯邦研究網絡（OFRN）共同資助，凱斯西儲大學開發的結構功能一體化電池被用于一架展長1.8m的小型手拋式無人機，完成了長達171min的飛行，此前，該無人機使用傳統電池和機翼的最長飛行時間為91min，結構功能一體化電池幾乎實現了續航時間的翻倍提升。2019年，NASA格倫研究中心在匯聚航空解決方案（CAS）計劃下設計了一種輕質可承重高儲能結構M-shell，將承載結構與電能存儲相集成，以支撐未來電動飛機的發展。研究結果表明，該多功能結構在提供電能的同時，重量代價較小，且不破壞結構的完整性。此外，以X-57型麥克斯韋電動飛機和N+3常規結構機身（N3CC）為對象的分析結果顯示，除去能量存儲功能所需的芯材料，與傳統結構相比，機身結構重量減少了3.2％。2020年，歐盟“潔凈天空”計劃為電動和混合動力推進飛機開發了儲能承載多功能復合材料，在總重量保持不變的情況下，提高了儲能供電能力，如圖9所示。

圖9 M-shell儲能承載多功能結構

2.3.3 多功能隱身涂層

將先進吸波材料與飛機結構相集成，是提高飛機隱身性能的重要手段之一。2019年，俄羅斯奧姆寧斯克工藝研究所采用新型聚碳酸酯材料研制了一款戰斗機座艙蓋，并成功應用于蘇-57戰斗機，艙蓋表面采用磁控濺射鍍膜技術沉積以黃金和銦錫合金為主的專用多功能隱身涂層。新型多功能隱身座艙蓋比原先減重約50%；電磁波吸收率從40%提高到80%。

2.4 熱防護結構技術

高超聲速飛機在大氣層內飛行時，高速氣流導致飛行器頭錐、翼前緣駐點區間表面產生很大的熱應力和氣動噪聲，缺乏熱保護系統的飛行器結構表面溫度估計達1600℃，飛機部件（如進氣道、后機身及尾翼）都處于高溫強噪聲環境中[15][16]。在長時間承受氣動加熱條件下，為保證飛行器主體結構及內部儀器設備的安全，須使用高效耐高溫結構和熱防護結構，2017年9月，美國空軍裝備司令部下屬的美國空軍研究實驗室向美國集創（II）公司授予了一份價值230萬美元的科研合同，開發滿足熱性能要求的高超聲速飛機材料，目的是為未來高超聲速飛機儲備可用的材料及其加工工藝技術。該公司此前與國防部和NASA聯合開展過高超聲速飛機熱防護系統的科研工作。2019年2月，美國國防部先進研究計劃局（DARPA）正式發布“高超聲速飛機材料架構與表征”（MACH）項目的招標書，開展兩個技術領域的研究：一是開發全集成被動熱管理系統，以可擴展的凈形制造技術和先進熱設計來冷卻前緣；二是專注于下一代高超聲速飛機材料研究，利用高保真計算能力為未來冷卻高超聲速飛機前緣部位的應用開發新型主動/被動熱管理概念、涂層和結構材料等。2020年，美國空軍研究實驗室授予巴特爾紀念研究所價值4630萬美元的合同，開展高超聲速熱防護碳/碳復合材料研究，提高其生產能力，以應對當前和未來的高超聲速飛機系統研制需求。

3 結論

歐美等航空強國已啟動第六代戰斗機、高超聲速飛機等先進航空武器裝備的論證和研究，以此為牽引，對飛機結構提出了更加輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的技術發展需求。圍繞先進復合材料結構技術、智能變體結構技術、多功能結構技術和熱防護結構技術等方向，國外開展了大量的研究，并取得顯著成果

1）先進復合材料結構方面，國外針對大型整體碳纖維復合材料結構的一體化成型工藝、結構設計優化方法等方面開展研究，進一步探索了復合材料優化設計空間，減輕了結構重量，提高了結構效率，減少了結構連接件和緊固件的數量，提高了結構制造成熟度。

2）變體結構方面，國外以歐盟SARISTU項目和美國ACTE項目分別采用機械機構驅動的機翼前后緣結構變形和形狀記憶合金驅動的機翼前后緣結構變形兩條技術路徑，關鍵技術成熟度已推至5～6級，基本具備工程應用的條件。美國MADCAT項目則探索了更加顛覆式的飛機結構變形方案，為變體結構提供了嶄新的思路。3）多功能結構方面，國外在智能蒙皮天線和儲能承載一體化結構方面開展研究，智能蒙皮天線在飛機結構減重和隱身等方面發揮作用，儲能承載一體化結構為未來電動飛機發展打下技術基礎。4）熱防護結構方面，國外通過多年研究與工程實踐，體系化地解決高超聲速飛機的材料、結構強度設計與驗證、制造工藝等關鍵技術，已經積累了豐富的型號經驗，建成了高超聲速飛機研發能力。

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Overview of the Structural Technology Development of Foreign Next-Generation Fighters and Hypersonic Aircraft

MA Zheng

（Chinese Aeronautical Establishment , Beijing 100029, China）

Focusing on aviation equipment such as sixth-generation fighters and hypersonic aircraft, the paper carries out the analysis of typical technical characteristics of foreign advanced aircraft, and puts forward the development requirements of advanced aircraft structure technology based on the technical characteristics. Then, review the development status of key technologies such as advanced composite material structures, smart variant structures, multifunctional structures, and thermal protection structures，Provide reference for future technological development.

Sixth-generation fighter; Hypersonic aircraft; Composite material structure; Morphing structure; Multifunctional structure; Thermal protection structure

V211

A

1006-3919(2021)05-0015-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.05.003

2021-06-28；

2021-08-27

馬征（1976—），女，碩士，高級工程師，研究方向：高性能計算，人工智能，航空科技管理，航空科技戰略研究；(100029)北京市朝陽區小關街道安外小關東里14號中航發展大廈B座.