歼20为什么一步三点头？歼-20一身，钢筋铁骨的关键是啥

2022年11月8日，第十四届中国航展在珠海开幕。伴随着发动机的轰鸣声，4架歼-20组成钻石编队从低空掠过。单机表演中，歼-20在一分钟的时间里连续完成“小半径急转”“旱地拔葱”等动作，接下来的“筒滚”“横滚”更是引得观众赞叹不已。

所谓“外行看热闹、内行看门道”。“筒滚”“横滚”对于歼-20只是“牛刀小试”，真正让海内外航空专家们大为惊叹的，却是看似不起眼的“小半径急转”“旱地拔葱”等动作。战斗机在高速飞行中完成这样的动作，不仅需要优异的气动设计与飞行姿态控制能力，更重要的是有一副“钢筋铁骨”——战斗机在进行大过载机动时，机身结构通常要承受9倍重力加速度；飞机设计时一般还要在此基础上再留出约50%的冗余。这意味着歼-20在做“小半径急转”“旱地拔葱”等动作时，机身结构需要承受数百吨质量所产生的作用力。

歼-20一身“钢筋铁骨”，关键在于其“强硬”的机身结构材料。机身结构材料，顾名思义就是承受战斗机在飞行过程中气动力、维持气动外形的结构材料。性能优异的机身结构材料是一架优秀战机不可或缺的部分，更是战机决胜空天的“硬脊梁”。

“一代材料，一代战机”

从莱特兄弟发明飞机至今，航空工业已经走过了百余年时光。在这个过程中，材料和飞机在相互推动下不断发展。所谓“一代材料，一代战机”，正是世界军事航空发展史的真实写照。

总体来说，战机机身结构材料的发展经历了四个阶段：

第一阶段从1903年至1910年。这个时期，飞机结构材料主要以木-布为主。木头构筑起飞机的机身框架，帆布为飞机提供气动外形。木头作为结构材料，凭借着超轻的质量和较低的密度，获得了长久的生命力。直至第二次世界大战时期，木头仍被应用于部分战机上。其典型代表就是英国的“德·哈维兰-蚊式战斗轰炸机”。这款战机拥有“木头奇迹”的美誉，身轻如燕、性能优良，是英国皇家空军中一种颇具特色的机型。

第二阶段从1910年到1949年。这一阶段的机身材料以钢-铝为主。高强度的钢常被用作主承力的机身框架结构，铝合金则被用于机身蒙皮。以钢-铝材料制作的飞机机身，其强度、结构刚度以及抗弹能力都较木-布结构有了质的飞跃。二战中，主力战机机型例如美军的P51野马、F6F地狱猫以及英国的喷火式、德国的梅塞施密特Bf-109战斗机无一例外都采用了钢-铝结构。

第三阶段是从1950年到1979年。这个时期的机身材料以钢、铝、钛为主。在耐高温方面，美国与苏联走了两条截然不同的路线。美国走的是“高端路线”——钛合金。钛合金密度低，以钛合金制成的飞机结构质量较轻，然而其原材料价格偏高，不易加工。典型代表是美国设计的一款高空高速侦察机SR-71黑鸟，飞行速度可达3.35马赫。苏联则选择了“平民路线”——不锈钢。相比之下，不锈钢原材料易得、易加工，成本低廉。典型代表是苏制的米格-25，其机身80%的结构采用不锈钢制作，最大飞行速度达到2.8马赫。值得一提的是，设计米格-25的初衷是为了拦截SR-71。然而，由于其笨重的不锈钢机身，历史上SR-71曾多次袭扰苏联领空，却从未被成功拦截。

第四阶段是从20世纪80年代至今。材料学家经过长期探索，在已知的单质材料中，已找不到密度低于铝合金、强度高于不锈钢，且耐热温度接近钛合金水平的材料了。随着高性能耐热聚合物基体被合成，轻质、高强的碳纤维开始大规模生产，先进复合材料开始进入材料学家的视野。先进复合材料低密度，性能可设计、易成型。同等结构强度下，采用复合材料制作的机身较钛、铝、钢都能大幅度减重。现在美国第四代战机F-22、F-35等的复合材料用量高达24％和30％，俄罗斯最新五代机的复合材料用量也达到了15%。复合材料在先进战机上的大规模应用，标志着现代战机从“铝为主，钛、钢结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。

几经更迭，追求始终如一

从天然材料到金属材料，再到复合材料，几经更迭，机身结构材料的追求始终如一——“其坚如钢，其重如翎”。

其坚如钢，是指具有优异的强度与刚度。更高的材料强度可以赋予机身更优异的抗击打性能和更高的抗过载能力。优异的材料刚度则为机身结构带来更强的抵御变形能力。战机在高速飞行过程中，时刻承受气动载荷。如果抵御气动力变形的能力不够，轻则降低飞机的气动效率，重则会引发不可逆的变形进而导致机毁人亡。

其重如翎，就是指机身材料要具有较低的密度。战机的质量是影响综合性能的主要指标。过大的质量不仅会降低飞行速度、影响空中机动能力，还会缩短航程。机身结构材料在战斗机的质量中占比通常超过40%。因此，在结构材料上减重是增加战斗机综合性能的有效手段。

纵观结构材料的发展历史，做到“其坚如钢”的材料不少，能实现“其重如翎”的也很多，但同时兼具两种性能的结构材料屈指可数。为了便于比较材料“轻质高强”的能力，材料学家发明了“比强度”和“比模量”的概念。比强度是用材料的强度除以材料表现密度。同体积的材料，比强度越高，抗破坏的能力越强。比模量是用材料的弯曲度除以密度。同体积的材料，比模量越高抗变形的能力越强。

从木材到钛合金，机身结构材料经历数十年的发展，其比强度与比模量并未发生质的飞跃。直到复合材料、特别是碳纤维复合材料的出现，机身结构材料水平又上升到一个新高度。碳纤维复合材料的比强度是钛合金的3倍-5倍，比模量是钢材的2倍-3倍。这意味着，同等性能下，机身结构采用碳纤维复合材料相较于钛合金或钢材减重达到50%-80%。复合材料的耐热性能虽不及钢和钛合金，但部分型号也能达到300℃。此外，复合材料还兼具优异的加工性能与良好的耐腐蚀、耐候性能。最为重要的一点是，复合材料具有良好的性能可设计性。通过更换树脂与增强纤维的种类，以及添加不同的功能填料，可获得不同性能特性组合的复合材料。这种性能可设计性赋予了其“结构-功能一体化”的特性。这样一来，复合材料不仅可以具备承载性能，更兼具透波、吸波、隐身等功能特性。

当然，比强度和比模量并非材料学家选取机身结构材料的“唯二”标准。以钢材为例，钢材的比强度、比模量相较于铝合金、钛合金并没有优势。但其绝对强度较高，在对绝对强度与刚度以及服役温度要求较高的部位，诸如飞机防护系统、起落架、主承力框架、高温驻点等仍是无可替代的关键材料。直到今天，先进战机上仍有钢材的身影。

新挑战，也是新机遇

随着现代战争作战样式不断丰富，科技密集程度不断提高，战机也在不断更新换代。目前最为先进的第五代战机，不仅需要拥有杰出的机动性、超强的隐真示伪能力，还需要具备多样式作战的可整合性。这些功能要求给机身结构材料研究带来新的挑战，同时也为战机综合性能提升带来新的机遇。

复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类理化性质不同的材料，通过复合工艺组合而成的新型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原来不具备的性能。

面对新的战争需求，复合材料需要不断“通关升级”，习得更多“武林绝学”。

例如，“身如金刚，水火不侵”。战机在高速飞行时，由于与空气的剧烈摩擦，会面临严峻的气动加热问题。过高的温度会大大增加复合材料的失效风险，为战机飞行带来安全隐患。因此，需要对机身材料进行耐高温设计，比如采用陶瓷耐高温涂层、气凝胶隔热层以及优化复合材料体系等。

再比如说，“来去无影，以假乱真”。目前，红外隐身已经是很多知名尖端战机的“标配”。新一代战机已经不再满足于单一的红外隐身效果，它试图通过对战机的电磁信号进行伪装，实现以假乱真，迷惑敌人的目的。这可以通过超结构设计或引入功能增强材料来实现。

高性能复合材料虽然是新一代战机机身的不二选择，但想要培养这样一名“武林高手”，还需要经过复杂工艺、花费大量的时间和物质成本。以美国隐身战略轰炸机——B2轰炸机为例。它从1997年服役以来，一共只生产了21架，每架造价高达24亿美元，每次飞行任务结束后的维护费用高达千万美元。“造得起，用不起；用得起，养不起”，也是限制尖端战机发展的重要问题。因此，简化机身复合材料的制备工艺，优化制备流程，提高效费比也是当前急需解决的关键问题。