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新大水军评|歼-20战斗机“奇怪”设计，明明有最强材料，为何却弃之不用？

新大水军评|歼-20战斗机“奇怪”设计，明明有最强材料，为何却弃之不用？

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【新大水军评|歼-20战斗机“奇怪”设计，明明有最强材料，为何却弃之不用？】新大水军评|歼-20战斗机“奇怪”设计，明明有最强材料，为何却弃之不用？

战斗机是一种高机动飞行器 ， 和普通的客机 ， 轰炸机类相比 ， 飞机飞行速度更高 ， 最高可以超过2000公里每小时 ， 而且最大过载也大3倍以上 ， 最高过载9G甚至10个G ， 加上50%的安全裕度的话 ， 飞机极限结构强度将达到13-15G ， 而普通客户和轰炸机大多仅仅要求2.5G-3G的机动性 ， 差距明显 ， 这就是战斗机的特殊性 。
如何达到高机动 ， 设计师就需要多管齐下 ， 采用更先进的总体设计 ， 做到更高气动效率 ， 更低阻力 ， 采用更先进的大推力发动机 ， 更常见的办法是减重 ， 不管飞机结构还是设备 ， 都要求尽量做到最轻 ， 而且也尽量减少单用途设备 ， 缩减设备尺寸和重量 ， 要求如此严格 ， 还必须同时保证飞机机体具备长寿命以及便于检查维修 ， 而飞机长寿命 ， 就必须加大飞机材料余量 ， 便于检修则需要大量开口 ， 带来更复杂结构和更大重量 ， 所以非常为难 ， 飞机结构重量越轻 ， 在给定的气动布局以及发动机下性能越高 ， 所以 ， 全世界各国都不遗余力开发先进的高强度材料 ， 强度更高 ， 重量更轻 ， 这是历史的常态 。

歼-20战斗机飞行寿命非常长 ， 估计将达到8000飞行小时 ， 和美国F-22战斗机相等
最近 ， 成都飞机设计所 ， 公开了歼-20战斗机机体材料选用设计 ， 据介绍 ， 设计师没有选用强度更好的TC4钛合金 ， 而且特意选择的降低强度的另外一款钛合金TC4-DT ， 这是一款中等强度钛合金 ， 占了全机钛合金用量的一半 ， 可以说是钛合金大户 ， 这款材料不仅仅降低了强度也减低了塑性 ， 这让普通人觉得很奇怪 ， 为何先进战斗机采用中等强度的货色 ， 为何不用高等强度货色 ， 同样零件 ， 可以做到更轻 。

设计师介绍 ， 这款新型的中等强度材料 ， 设计上并不简单 ， 和基本型TC4相比 ， 合金元素用量更窄 ， 而且严格控制了碳氮氢氧等间隙元素 ， 经过热处理后可以得到特殊的片层结构 ， 这种材料最大的优点是抗裂纹扩展性能优良 ， 广泛应用在歼-20的核心主承力结构上 ， 包括机身大型加强框 ， 以及翼梁等部位 ， 这种设计也是航空界最近几十年最流行的破损安全和损伤容限原则：破损安全原则是飞机零件可以坏 ， 但是偶尔坏一个 ， 还有别的零件自动顶上 ， 尽量减少飞机零件的单点故障；而损伤容限则强调所有零件都可能自带缺陷 ， 设计师必须考虑到制造加工过程中存在缺陷 ， 或者使用中出现裂纹 ， 但是裂纹扩散速度要足够慢 ， 在规定的检查期限内 ， 可以方便检查出来 ， 方便维修 ， 这种要求适用于容易检查部位零部件 ， 某些无法在外场检查的或者难于拆卸的部位 ， 则需要更长的寿命 ， 或者叫无限寿命 。美国二代机时代 ， 遭遇大量飞机故障甚至坠毁 ， 主要原因是采用了裂纹扩散太快的高强度材料
破损安全和损伤容县设计是欧美航空技术发展的里程碑 ， 二战时期 ， 欧美得益于纳粹德国的后掠翼和喷气发动机技术 ， 很快开发了先进的喷气飞机 ， 包括战斗机 ， 轰炸机和运输机 ， 那时候的设计师考虑问题也相对简单 ， 飞机尽量采用最先进的高强度材料 ， 包括铝合金 ， 钛合金等等 ， 但是谁都想不到 ， 这些高强度材料 ， 带来了极度的高风险 ， 多款先进战机投入飞行没多久很快发生故障坠毁 ， 包括F-4战斗机和F-111变后掠翼远程攻击机 。
最终检查的结果表明 ， 这些高档材料打造的飞机零部件 ， 存在严重的安全隐患 ， 交付部队没有多久 ， 零件就发生开裂 ， 最终设计师不得不想办法弥补 ， 几十年的努力得到了解决办法 ， 这就是损伤容限和破损安全设计原则 ， 保证飞机在执行任务时候 ， 结构完整性不遭到破坏 ， 拥有最高的完成概率 ， 就这一点 ， 就成为三代战斗机和先进民航客机的核心技术之一 ， 立即成为世界标准 。

现代先进飞机都是长寿命高可靠性产品 ， 需要特殊设计保证
战斗机设计师从早期仅仅追求飞机结构最轻 ， 慢慢转向飞机结构可靠耐用 ， 飞机结构材料也逐步从追求极端强度指标 ， 转而开始降低一定指标 ， 但是提高材料的裂纹扩展抗力 ， 尽量使飞机零件裂纹发展的慢 ， 使飞机在检查间隔到达之前 ， 拥有更长的安全飞行时间 ， 这就是历史的一大进步 ， 公众也可以看到 ， 最近几十年 ， 基本看不到新飞机发生结构断裂导致的伤亡案例 ， 而这种案例 ， 在上世纪50-70年代则不少见 。
歼-20战斗机采用中等强度材料 ， 表面看起来是技术的退步 ， 实际上 ， 这是更强的飞机设计技术 ， 现代飞机需要在重量 ， 寿命 ， 安全性做足够的协调 ， 国际航空界称这种原则为中庸 ， 不走极端 ， 各方兼顾 ， 才能达到最好的效果 。


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