馬征

國外下一代戰(zhàn)斗機和高超聲速飛機結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展綜述

馬征

（中國航空研究院，北京 100029）

以第六代戰(zhàn)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(shù)特征分析，針對技術(shù)特征提出先進飛機結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展需求，梳理先進復合材料結(jié)構(gòu)、變體結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)、熱防護結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為未來技術(shù)發(fā)展提供參考。

復合材料結(jié)構(gòu)；變體結(jié)構(gòu)；多功能結(jié)構(gòu)；熱防護結(jié)構(gòu)

0 引言

未來空戰(zhàn)裝備正經(jīng)歷著機械化、信息化、智能化的躍升發(fā)展[1]，以第六代戰(zhàn)斗機、高超聲速飛機為代表的作戰(zhàn)飛機是未來作戰(zhàn)體系（系統(tǒng)簇）中的核心裝備，代表了航空裝備最先進的技術(shù)水平。隨著國外第六代戰(zhàn)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(shù)特征逐步清晰，開展先進航空裝備結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)、變體結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)、熱防護結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，需密切跟蹤其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，研判技術(shù)發(fā)展趨勢，從而支撐未來航空裝備的發(fā)展。

1 國外先進飛機典型技術(shù)特征分析

1.1 國外第六代戰(zhàn)斗機典型技術(shù)特征分析

為奪取未來空中優(yōu)勢，美歐各國均已把第六代戰(zhàn)斗機的研發(fā)提上日程，且不斷加快研發(fā)步伐[2]。其中，2018年7月，英國對外宣布了“暴風”（Tempest）戰(zhàn)斗機研發(fā)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(tǒng)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(zhàn)航空系統(tǒng)”（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(zhàn)斗機項目特征總結(jié)如下。

1.1.1 美空軍NGAD項目

1）使命任務

美空軍NGAD項目發(fā)展跨空、天、網(wǎng)、電，并能與地面／水面能力強聯(lián)合的網(wǎng)絡化“系統(tǒng)簇”，以獲取空中優(yōu)勢。未來空戰(zhàn)平臺是該“系統(tǒng)簇”的核心裝備，將可同時遂行火力打擊、信息獲取、數(shù)據(jù)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(fā)、后掠翼、翼身融合的無尾氣動布局。

3）典型技術(shù)特征

與裝有下一代先進電子攻擊裝備、先進綜合防空系統(tǒng)、無源探測系統(tǒng)、綜合自防御系統(tǒng)、定向能武器和網(wǎng)絡電磁攻擊設備的敵軍對抗；在航程、續(xù)航時間、生存力、網(wǎng)絡中心戰(zhàn)、態(tài)勢感知、人－機系統(tǒng)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(fā)一個人工平臺、無人機和武器等多種裝備互聯(lián)并協(xié)同作戰(zhàn)的“系統(tǒng)簇”，成員裝備共同實施空戰(zhàn)行動，協(xié)同奪取制空權(quán)?？墒褂枚ㄏ蚰芪淦鳌⒏叱曀購椝幍刃滦臀淦?，在打擊作戰(zhàn)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(zhàn)斗機、“臺風”戰(zhàn)斗機和F/A-18“大黃蜂”多用途戰(zhàn)斗機。

2）概念方案

FCAS采用雙發(fā)、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(shù)特征

FCAS具備低可探測、高生存力、遠航程、數(shù)據(jù)融合、智能化、經(jīng)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(zhàn)斗機項目

1）使命任務

Tempest戰(zhàn)斗機可執(zhí)行各類軍事任務，系統(tǒng)設計支持“即插即用”和“可擴展的自主性”。采用“協(xié)同交戰(zhàn)能力”技術(shù)，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(zhàn)斗機采用雙發(fā)、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(zhàn)斗機具備低可探測性、任務靈活性、較強的連通與協(xié)作能力、經(jīng)濟可承受且易于升級。綜合來看，美國和歐洲第六代戰(zhàn)斗機在使命任務和典型特征上的構(gòu)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(jīng)濟可承受性等方面的要求高度一致。

圖3 Tempest戰(zhàn)斗機發(fā)展設想

1.2 國外高超聲速飛機典型技術(shù)特征分析

高超聲速飛機憑借其特殊的高度、速度優(yōu)勢，將對傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭模式及作戰(zhàn)樣式產(chǎn)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(zhàn)略支點，高超聲速技術(shù)也已被美國防部列為五大改變游戲規(guī)則的技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(jīng)有越來越多分系統(tǒng)或部件級的相關(guān)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(fā)布的項目指南信息，美國空軍未來高超聲速飛機或?qū)⒉捎锰細淙剂蠝u輪基沖壓組合發(fā)動機，巡航速度馬赫數(shù)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(tǒng)集成、熱結(jié)構(gòu)、熱管理等技術(shù)，計劃采用液氫燃料，實現(xiàn)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(cè)各有一副傾斜垂尾。該機從起飛爬升到馬赫數(shù)4.5，使用6臺渦輪沖壓發(fā)動機。速度達到馬赫數(shù)4.5后，將轉(zhuǎn)換到雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動機（DMR），以亞燃模態(tài)繼續(xù)加速到馬赫數(shù)5，以超燃模態(tài)加速到馬赫數(shù)8。

1.3 國外先進飛機結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)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(jīng)濟可承受是未來先進飛機的典型特征。對于機體結(jié)構(gòu)而言，更高的平臺性能指標同樣對飛機結(jié)構(gòu)提出了新的要求，其中： 1）高速度不僅需要機體結(jié)構(gòu)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(zhì)高強的結(jié)構(gòu)材料，從而提高結(jié)構(gòu)承載效率、降低油耗，具有輕量化先進復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)需求； 3）多任務能力要求戰(zhàn)斗機在不同任務狀態(tài)和外界環(huán)境下均具有較優(yōu)的氣動性能，智能變體結(jié)構(gòu)或?qū)⒊蔀橛行Ы鉀Q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(jié)構(gòu)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(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力，未來先進飛機的高生存力特征要求飛機結(jié)構(gòu)具有較高的抗毀傷性能； 6）經(jīng)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(jié)構(gòu)低成本、模塊化制造的需求。為滿足未來飛機結(jié)構(gòu)輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的發(fā)展需求，國外在先進復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、變體結(jié)構(gòu)技術(shù)、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)和熱防護結(jié)構(gòu)技術(shù)等方向開展研究。

2 先進飛機結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.1 先進復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)

復合材料憑借其高比強度、高比剛度、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)點，在現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)的設計與制造中得到廣泛的應用[7]，美國第四代戰(zhàn)斗機F-22的復合材料用量達到24%，第五代戰(zhàn)斗機F-35的復合材料結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)甚至全部采用復合材料。近年來，國外先進復合材料結(jié)構(gòu)的研究重點包括大型整體復合材料結(jié)構(gòu)一體化設計制造和復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

2.1.1 大型整體復合材料結(jié)構(gòu)一體化設計制造

先進復合材料的使用量已經(jīng)成為衡量飛機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學性能分析方法的逐漸成熟，復合材料結(jié)構(gòu)逐漸由小的非承載構(gòu)件向大型關(guān)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(jié)構(gòu)技術(shù)和革命性結(jié)構(gòu)”（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(shù)，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(jié)構(gòu)設計制造能力相結(jié)合。經(jīng)分析計算，與傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)相比，可降低成本約30%，并使飛機機身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件?！懊魅罩怼庇媱潪橄乱淮鷨瓮ǖ里w機開發(fā)復合機翼，其機翼主要結(jié)構(gòu)由碳纖維復合材料構(gòu)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(jié)構(gòu)部件的制造工藝得到改進，開發(fā)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(shù)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(jié)構(gòu)的一體化設計與制造，減輕了結(jié)構(gòu)重量，減少了零部件數(shù)量，大幅節(jié)省組裝時間。

2.1.2 復合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

復合材料結(jié)構(gòu)具有可設計性，通過適當?shù)募舨迷O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(shù)項目資助下，弗吉尼亞的Aurora飛行科學公司開發(fā)了“被動氣動彈性剪裁機翼”（Passive Aeroelastic Tailored ,PAT），通過對復合材料結(jié)構(gòu)獨特的設計和優(yōu)化，得到了更輕、更高效、更具柔性的機翼結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)狀態(tài)進行監(jiān)測。試驗證明，優(yōu)化后的機翼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)效率、減輕機翼結(jié)構(gòu)重量并提高飛機燃油效率。

2.2 變體結(jié)構(gòu)技術(shù)

變體結(jié)構(gòu)技術(shù)是指飛機在飛行過程中，通過改變飛機結(jié)構(gòu)形狀以及剖面，使飛機能適應不同的飛行條件，從而實現(xiàn)性能和效率最優(yōu)的技術(shù)。

圖5 PAT機翼開展載荷試驗

飛機變體結(jié)構(gòu)技術(shù)通過改變機體結(jié)構(gòu)氣動外形，確保飛行器在不同飛行狀態(tài)下持續(xù)獲得最優(yōu)氣動效益，一直是航空領(lǐng)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(shù)的進步，變體飛機的驅(qū)動方式不再局限于機械機構(gòu)的形式，部分采用智能材料驅(qū)動器的變體飛機方案已經(jīng)完成設計并進行了風洞試驗和飛行試驗。目前飛機變體結(jié)構(gòu)技術(shù)方面最具有代表性的研究項目是歐盟“靈巧智能飛機結(jié)構(gòu)”（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(shù)字化復合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項目。

2.2.1 歐盟“靈巧智能飛機結(jié)構(gòu)”（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(guī)模集成驗證項目，通過在飛機承載結(jié)構(gòu)中集成新系統(tǒng)和新技術(shù)的方式，實現(xiàn)飛機減阻、降噪、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、減重和降低制造和運營成本。項目經(jīng)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(jié)構(gòu)驅(qū)動機翼前緣、后緣襟翼和翼稍，實現(xiàn)了機翼前后緣的無縫連續(xù)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(tǒng)公司（FlexSys）合作開展，旨在研制一種可連續(xù)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(xiàn)了在馬赫數(shù)0.75速度下?2°～30°的變形。2017年，該自適應柔性后緣結(jié)構(gòu)開展第二輪飛行試驗，襟翼形狀保持為內(nèi)段向下偏轉(zhuǎn)2.5°、外段向上偏轉(zhuǎn)2.5°，實現(xiàn)了機翼的扭轉(zhuǎn)變形，試飛最大速度接近馬赫數(shù)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(jiān)測，分析扭轉(zhuǎn)襟翼對燃油效率的影響。

圖6智能機翼結(jié)構(gòu)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(lián)合開展了“任務自適應數(shù)字化復合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項目，設計了一種柔性機翼，主要由桁架結(jié)構(gòu)、柔性蒙皮、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成，桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連接；驅(qū)動系統(tǒng)主要包括伺服電機和轉(zhuǎn)向管。轉(zhuǎn)向管在伺服電機的驅(qū)動下帶動桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)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(xiàn)從翼尖到翼根的連續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，最大扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(xù)光滑變形，能有效提升飛機操縱性和經(jīng)濟性。這種模塊化的機翼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組裝的飛翼模型風洞試驗

2.3 多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)

多功能結(jié)構(gòu)（MFS）使結(jié)構(gòu)的承載與功能性相結(jié)合，提高了承載結(jié)構(gòu)和功能設備之間的集成性，在減輕重量、節(jié)省空間方面具有很大的潛力。目前，研究較多的多功能結(jié)構(gòu)是智能蒙皮天線、儲能與承載一體化結(jié)構(gòu)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(fā)揮天線功能的結(jié)構(gòu)。這種集成化的多功能天線結(jié)構(gòu)，避免了在飛機結(jié)構(gòu)上安裝復雜的天線接口，降低了結(jié)構(gòu)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(shù)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(xiàn)了全方位的快速雷達波束掃描，又滿足了低可探測性的關(guān)鍵指標，解決了雷達探測和隱身的兼容問題，該技術(shù)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(jié)構(gòu)中，取代了外置天線。采用嵌入式共形天線結(jié)構(gòu)，有助于減少零件數(shù)量，縮短生產(chǎn)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(shù)獲得了2019年空中客車直升機公司創(chuàng)新獎。

2.3.2 儲能與承載一體化結(jié)構(gòu)

目前，航空領(lǐng)域正在逐步開展能源變革，電動飛機得到快速發(fā)展，電動飛機想要增加續(xù)航時間，就必須進一步減少結(jié)構(gòu)重量，因此，集儲能與承載一體化的多功能結(jié)構(gòu)具有重要的應用前景。2019年，由NASA和俄亥俄州聯(lián)邦研究網(wǎng)絡（OFRN）共同資助，凱斯西儲大學開發(fā)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)電池和機翼的最長飛行時間為91min，結(jié)構(gòu)功能一體化電池幾乎實現(xiàn)了續(xù)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(zhì)可承重高儲能結(jié)構(gòu)M-shell，將承載結(jié)構(gòu)與電能存儲相集成，以支撐未來電動飛機的發(fā)展。研究結(jié)果表明，該多功能結(jié)構(gòu)在提供電能的同時，重量代價較小，且不破壞結(jié)構(gòu)的完整性。此外，以X-57型麥克斯韋電動飛機和N+3常規(guī)結(jié)構(gòu)機身（N3CC）為對象的分析結(jié)果顯示，除去能量存儲功能所需的芯材料，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，機身結(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)

2.3.3 多功能隱身涂層

將先進吸波材料與飛機結(jié)構(gòu)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(zhàn)斗機座艙蓋，并成功應用于蘇-57戰(zhàn)斗機，艙蓋表面采用磁控濺射鍍膜技術(shù)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(jié)構(gòu)技術(shù)

高超聲速飛機在大氣層內(nèi)飛行時，高速氣流導致飛行器頭錐、翼前緣駐點區(qū)間表面產(chǎn)生很大的熱應力和氣動噪聲，缺乏熱保護系統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)及內(nèi)部儀器設備的安全，須使用高效耐高溫結(jié)構(gòu)和熱防護結(jié)構(gòu)，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(chuàng)（II）公司授予了一份價值230萬美元的科研合同，開發(fā)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(shù)。該公司此前與國防部和NASA聯(lián)合開展過高超聲速飛機熱防護系統(tǒng)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(fā)布“高超聲速飛機材料架構(gòu)與表征”（MACH）項目的招標書，開展兩個技術(shù)領(lǐng)域的研究：一是開發(fā)全集成被動熱管理系統(tǒng)，以可擴展的凈形制造技術(shù)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(fā)新型主動/被動熱管理概念、涂層和結(jié)構(gòu)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(chǎn)能力，以應對當前和未來的高超聲速飛機系統(tǒng)研制需求。

3 結(jié)論

歐美等航空強國已啟動第六代戰(zhàn)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(jié)構(gòu)提出了更加輕量化、智能化、耐高溫、抗毀傷、低成本的技術(shù)發(fā)展需求。圍繞先進復合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、智能變體結(jié)構(gòu)技術(shù)、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)和熱防護結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jié)構(gòu)方面，國外針對大型整體碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)的一體化成型工藝、結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法等方面開展研究，進一步探索了復合材料優(yōu)化設計空間，減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了結(jié)構(gòu)效率，減少了結(jié)構(gòu)連接件和緊固件的數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)制造成熟度。

2）變體結(jié)構(gòu)方面，國外以歐盟SARISTU項目和美國ACTE項目分別采用機械機構(gòu)驅(qū)動的機翼前后緣結(jié)構(gòu)變形和形狀記憶合金驅(qū)動的機翼前后緣結(jié)構(gòu)變形兩條技術(shù)路徑，關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)變形方案，為變體結(jié)構(gòu)提供了嶄新的思路。3）多功能結(jié)構(gòu)方面，國外在智能蒙皮天線和儲能承載一體化結(jié)構(gòu)方面開展研究，智能蒙皮天線在飛機結(jié)構(gòu)減重和隱身等方面發(fā)揮作用，儲能承載一體化結(jié)構(gòu)為未來電動飛機發(fā)展打下技術(shù)基礎(chǔ)。4）熱防護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度設計與驗證、制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)積累了豐富的型號經(jīng)驗，建成了高超聲速飛機研發(fā)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(zhàn)略研究；(100029)北京市朝陽區(qū)小關(guān)街道安外小關(guān)東里14號中航發(fā)展大廈B座.