飛機的“眼睛”：先進航空透明件

航空結構透明件位於飛機前端，因其功能及重要性而被稱為飛機的“眼睛”，航空透明材料與透明件的研究與發展伴隨著人類航空事業的進步，是飛機上關鍵功能結構件之一。首先，透明件是飛行員起降飛機、觀察外界環境的唯一途徑，因此要有良好的光學性能，為飛行員提供良好的視野；其次，透明件與前機身結構融合，一起構成氣密座艙，要有很高的結構強度，能夠承受強烈的氣動載荷與飛鳥撞擊，為飛行員提供封閉的生存太空與應急彈射時的離機救生通道，是飛行員空中飛行、執行任務的生命安全保障；最後，根據飛機的飛行服役需求，還要求透明件具有多頻譜隱身、電加溫、電磁屏蔽、防高能射線輻射、防眩光、靜電防護以及環境自適應性光致變色等功能中的一種或幾種。因此，先進航空透明材料與透明件技術並非單一學科，而是涉及材料學、高分子材料、光學、力學、熱力學、機械設計、機械製造以及隱身技術等眾多學科領域，內涵十分豐富。

先進航空透明件的發展及特點

先進航空透明件按機構特點可以分為單層結構與多層複合結構。航空單層結構透明件的結構特點逐漸往一體化、集成化與輕薄化方向發展，也更加注重透明件的人機功效，實現光學性能、結構強度與特殊功能的綜合優化，為飛行員提供更加安全舒適、高效的服役環境。如從二代機的三塊式風擋和蚌式活動艙蓋組成的透明件，如圖1-a，典型的飛機有米格-21、F-4等；到三代機的整體式圓弧風擋和可開啟的水泡式活動艙蓋組成的透明件，如圖1-b，典型的飛機包括F-15、F-16、F/A-18、蘇-27系列、“陣風”等；再到四代機的風擋與座艙結構一體化透明件，如圖1-c，典型的代表飛機為美國F-22。

同樣，多層結構航空透明件結構設計理念以輕薄化、降低整體重量並提高抗衝擊強度為目的。為了滿足高性能飛機對透明材料所提出的光學、力學和熱學方面的綜合性能要求，因此人們早在20世紀50年代開始就花費了大量的精力探索結構與性能優化的多層結構透明件。夾層結構透明件主結構材料多選用無機玻璃，而為了實現整體減重，又避免無機玻璃抗裂紋擴展能力差、安全性不足的問題，人們逐漸探索將無機玻璃與透明高分子材料結合使用的方法。如波音787應用的複合結構風擋透明件最外層採用化學鋼化玻璃以提高強度與耐磨性，內層選用定向有機玻璃，這樣結合了二者的優點，既降低了整體重量又保證了足夠的結構安全性能，如圖2（a）所示。同時，為了給飛行員提供更加優良的視界，傳統民航客機的六塊式結構風擋也逐漸被四塊結構代替。如波音787的四塊式結構風擋代表著當前民航飛機透明件製造與應用技術的最高水準，如圖2（b）。

總之，先進航空透明件結構設計應逐漸往一體化、輕薄化與結構力學更加優化方向發展，製造技術趨向於高可靠性、低成本、高效率、低應力方向發展，材料技術更加追求多功能性、智能化、高強韌化與輕量化。因此，未來先進航空結構透明件技術是集基礎理論、設計計算、巨集觀製造、實驗分析與先進材料技術為一體的複雜體系，與其他相關領域理論共享、技術融合將是人們關注的又一熱點。

先進航空透明材料技術

對於戰鬥機、教練機多採用的單層結構透明件，至今應用最為廣泛的是航空有機玻璃，有機玻璃又可以分為澆注有機玻璃、定向拉伸有機玻璃以及微交聯有機玻璃。澆注有機玻璃在室溫下是脆性材料，對缺口和應力集中比較敏感，抗裂紋擴展能力差。定向有機玻璃是用澆注有機玻璃加熱至其玻璃化溫度以上經雙軸定向拉伸製成的，經過定向使某些物理性質和力學性能改善，其室溫抗應力-溶劑銀紋性比澆注有機玻璃高2~3倍，衝擊強度提高1倍，斷裂韌度提高1~2倍。用定向有機玻璃製造的透明件不易產生銀紋，定向有機玻璃是目前戰鬥機上使用的最重要的透明塑料，如美國的F-14、F-15、F/A-18、F-35，法國的“幻影”2000、“陣風”，日本的F-2等。

除微交聯有機玻璃和定向有機玻璃外，聚碳酸酯（PC）具有很好的光學性能（2mm厚板材的透光率可達90%以上），較高的比剛度、比強度特性（密度為1.2kg/m3，準靜態下的楊氏模量為2.1GPa、拉伸強度大於60MPa），衝擊強度是有機玻璃的5倍以上，衝擊韌性是所有透明材料中最高的，且其熱變形溫度可達138℃以上。因此在航空座艙透明件中也得到了初步應用。美國現役飛機中使用聚碳酸酯材料的有F-22、F-111、F-16、F/A-18及B-1B等。PPG工業公司在2012年巴黎航展上推出了高性能抗裂航空透明材料，稱是50多年來為航空領域打造的首款新型透明塑料。該產品品質輕、抗裂性好、耐火度高，已經被灣流公司選作G650新型商務機客艙玻璃舷窗外表面材料。他們期望能夠取代用作客艙玻璃舷窗的傳統亞克力材料。這種高級透明材料成功通過了美國聯邦航空管理局關於授予飛機型號合格證書的品質鑒定檢測。

對於多層複合結構透明件，一般為無機玻璃或其他透明高分子材料中的一種或幾種經過一層或多層聚合物膠片（熱塑性聚氨酯TPU、聚乙烯縮丁醛PVB等）粘接而成，多層複合結構透明件多選用加熱加壓的方式進行成形製造，透明結構材料能夠保證複合結構透明件的結構強度，在遭到鳥體撞擊破碎時，中間層材料能夠起到分散應力集中產生的衝擊能量和緩衝的作用，同時中間層膠片能夠將破碎的玻璃碎片粘接在一起防止碎片濺射，充分保護飛行員的安全。成形後的透明件具有抗衝擊強度高、安全性好等優點，因此，被廣泛用於民航客機、直升機、運輸機以及高速列車、船舶等透明件領域。

先進航空透明件成型製造技術

1、冷彎、自由吹塑與真空輔助成形技術

冷彎、自由吹塑與真空輔助成形技術是將透明材料板材（如PMMA）加熱至玻璃化轉變溫度附近，經靠模、真空吸塑或高壓氣體吹塑成形出所需形狀的過程。冷彎成形溫度一般低於PMMA的玻璃化轉變溫度；真空輔助成形一般借用模具控制透明件的外形精度，多用於成形製造形狀較為簡單的航空座艙結構透明件。而自由吹塑成形技術無需模具控制外形，其原理是首先將有機玻璃加熱並施加載荷彎曲，達到所需的曲率後用梯度加熱技術對其進行梯度加熱實現局部較高的溫度，同時用壓縮氣體進行吹塑使透明件在所需位置變形拱高，可以根據需要得到不同外形與曲率的航空結構透明件，適合於雙曲率外形薄壁透明件的成型製造，如圖3所示。冷彎、自由吹塑與真空輔助成形技術被廣泛用於國內外三代機、四代機座艙透明件的製造。

2、注射壓縮成型技術

注射壓縮成型技術相對於傳統成型技術具有很多優點，如成型周期短、製品內應力小表面品質高，能夠得到複雜外形製件，因此被認為是一種高效率、低成本、高精度透明件製造技術已經被廣泛用於汽車風擋、車燈以及光學顯示屏等領域透明件的成型製造。但是在航空結構透明件領域至今應用較少，據報導，目前，只有美國T-38教練機風擋透明件是通過注射壓縮成型製造的。

3、熱壓複合成形技術

複合結構透明件多採用熱壓複合工藝實現，其原理是將製件加熱至聚合物膠片的粘流溫度附近，利用加壓的方法使其與結構材料進行粘接。該工藝過程容易控制，製件缺陷較少，成品率高，因此得到了廣泛使用。但是對於複雜形狀和異形製件就很難實現，真空灌注工藝就具有其獨特的優勢，美國PPG公司已經成功研發出專門用於複合結構透明件的灌注料，且真空灌注工藝具有高效節能的優點，在未來複雜異形結構透明件的製造中也具有良好的應用前景。

隨著國民經濟發展與人們生活水準的不斷提高，先進航空透明件在飛機上所佔比例呈現逐漸增大的趨勢，形式也逐漸多樣化、個性化、美觀化。空客公司已經在2010年巴黎航展上展出了全透明飛機的設計理念，並預計2050年實現市場化，如圖3為空客公司全透明飛機設計模型圖，該飛機設計思想在飛機平穩行駛的過程中，乘客們可以通過機艙兩邊以及機頂全透明的膜壁360度地觀看天空中的景觀；起飛降落時，則可能通過按鍵控制，使透明膜壁被遮蓋。該設計理念為更高性能的透明材料與結構設計更加合理的透明件提出更高的要求和挑戰。