航空透明件

航空透明件一般由陽模成形的整體圓弧風擋、吹塑成形的水泡式艙蓋所組成，或者為風擋座艙蓋一體化結構，其材料主要是高性能微交聯定向有機玻璃，聚碳酸酯，或者兩者層合的透明材料。這些航空透明件形狀獨特、外形尺寸精度和光學質量要求高，製造工藝複雜。

基本介紹

• 中文名：航空透明件
• 外文名：aerospace transparency
• 常用部件：飛行器座艙
• 主要材料：有機玻璃、聚碳酸酯
• 性能要求：精度、光學質量要求高
• 發展方向：曲面形狀、大面積、薄厚度等

結構與功能

航空透明件的結構和功能是隨著航空的歷史發展過程而逐漸發展起來的。早期飛機由於速度小、高度低，結構簡單，僅在座艙前設定簡單的擋風罩，飛行員在開放、氣流吹襲的環境中完成飛行。隨著航空技術的發展，飛機的飛行速度和高度日趨增加，座艙蓋逐漸從簡單的擋風罩結構發展到複雜的、具備多功能的透明件系統，由透明件、邊緣連線件、金屬骨架、鈑金件、除霧系統和密封件、標準件等組成。其主要功能是與機身座艙段構成密封座艙，保護飛行員免受迎面高速氣流的吹襲和外部環境的威脅，在飛行條件下為飛行員提供舒適密閉、寬敞明亮的活動空間和生存環境，清晰、開闊且不失真的視野，並與平視顯示器匹配，以完成起飛著陸和戰鬥、運輸任務。

圖1.二代機透明件外形圖片

由於透明件是機身結構的一部分，為保持機體流線平滑，大多數透明件具有精確的曲面外形，在結構上要具備一定強度和剛度，能夠承受飛行中的氣動載荷、增壓載荷和高、低溫交變熱載荷的作用。因此透明件設計須滿足總體要求：①滿足氣動外形、飛行員視界的要求；②具有足夠的強度剛度，具有一定的抗鳥撞能力；③滿足座艙氣密要求，為飛行員提供封閉舒適的生存空間；④透明件的光學性能必須滿足飛行員觀察、瞄準的需求；⑤滿足惡劣環境下的壽命要求；⑥能與彈射救生系統相匹配；⑦滿足座艙雷達反射截面(RCS)減縮要求。

主要性能要求

1. 外形：一般要求保持外形流線；隱身外徑要求縮減RCS，採用特殊外形設計；
   
2. 視界：儘可能提供良好的視界和清晰度；戰鬥機除要求寬闊的前視、側視外，還要求有良好的側下視、上視和後視能力；
   
3. 光學性能：良好的透光率和表面光學質量，最小的霧度；風擋和重要的觀察窗要求光學畸變和光學角偏差；
   
4. 承載能力：①靜載，能承受氣動載荷、增壓載荷及其他附載入荷，靜力試驗合格；動載，能滿足疲勞載荷要求，使用壽命達到設計規定；集中載荷：飛機正面的透明件有抗鳥撞要求，在經受鳥撞擊後，不允許發生影響飛機飛行的結構損傷，也不允許發生可能傷害飛行員或妨礙其執行正常任務的結構損傷作戰；部分飛機透明件有防彈性能要求；
   
5. 耐熱/耐寒/耐其他環境條件：從地面極限溫度考慮，要求能滿足-55℃ ~ +60℃工作條件，耐老化、濕熱、鹽霧等環境；對超聲速飛機，透明件應能承受表面氣動加熱；在巡航速度下應能承受長期高溫的環境；對運輸機、直升機、客機等有通電加熱或噴灑液體達到防冰防霧的要求；耐砂石磨蝕；
   
6. 隱身性：透明件表面鍍制金屬膜系，光電性能需良好匹配，耐環境性能滿足要求；
   
7. 阻燃性：民用飛機透明件需按民用航空條例CCAR25部的規定平均燃燒速度不超過63mm/min。
   
8. 維修性：易於維修，同一製件具有互換性；
   

演變歷程

隨著人類的進步、科學技術的不斷發展以及戰爭和軍備競賽的刺激，航空業得到了空前的發展。以充分體現航空製造水平的戰鬥機為代表，為了實現更高的作戰功能，各國不斷追求高空、高速和超低空的發展方向，對航空透明件提出了更苛刻的要求，除應滿足結構強度、光學性能、耐環境性能設計及隱身等主要功能要求外，特別需要有大視界和高抗飛鳥撞擊能力以及很好的下視下射能力，致使透明件的尺寸越來越大。這是現代先進戰鬥機最明顯的特徵之一。

圖2.三代機透明件外形圖片

下表列出了國內外戰鬥機從二代發展到四代機，座艙透明件外形的演變歷史和特點。從表中不難看出，先進軍用飛機的座艙透明件已經由簡單的外形，單一功能逐步發展為結構複雜化、尺寸大型化，功能多樣化的關鍵功能結構件，外形結構設計將透明件的功能發揮得淋漓盡致。

國內外戰鬥機座艙透明件外形結構的演變歷史和特點

飛機類型	代表機型	外形特徵	幾何特徵	特點
二代機	米格-21、F-4、殲6、殲7、殲8	由三塊式風擋和貝殼式活動艙蓋組成（圖1）	前風擋為平面型；側風擋為小曲率小尺寸；艙蓋為雙曲率、法向截面小於半圓，圓弧同直邊相切，艙蓋長約1.1m	（1）透明件短小，易於成形； （2）圓弧同直邊相切的截面形狀不利於透明件承受工作載荷； （3）座艙空間狹窄、可視區小，基本不具備側下視和水平360°視界能力
三代機	F-15、F-16、F/A-18、蘇-27系列、陣風、殲10系列	由整體圓弧風擋和水泡式活動艙蓋組成（圖2）	風擋為錐面型單曲率，厚度大；艙蓋為雙曲率．為滿足穿蓋救生要求，厚度薄；沿R中心線的法向截面超過圓形，單座機艙蓋長1.9m左右	（1）尺寸大．製造難度加大；（2）具有合理的承力結構形式，有利於承受徑向壓力； （3）具有光滑流線的氣動力外形，寬敝明亮的透明視區，具備側下視和水平360°視界能力
四代機	F-22、F-35	風擋與艙蓋一體化結構（圖3）	風擋和艙蓋為多曲率，截面為菱形，尺寸達3m以上；兩種類型：一種風擋和艙蓋等厚度形式；另一種厚風擋、薄艙蓋的變厚度形式	（1）尺寸超大，製造難度極大；（2）透明件外形與機身融為一體，可滿足座艙隱身需求； （3）空間寬敞，具備側下視和水平360°視界能力

新型戰鬥機座艙透明件的隱身功能是其特徵之二。隱身性能是先進戰鬥機生存力的一個重要指標，也是衡量其先進性的一個重要判據。座艙是飛機三大電磁散射源之一，對機頭方向的RCS貢獻約占全機的1/4。而座艙RCS的絕大部分來自於座艙腔體的散射，飛行員頭部和頭盔、座艙內各種控制器和顯示器，都增強了飛機的雷達信號特徵，而且與外形設計也有密切的關係。根據飛機總體隱身性能要求，在座艙透明件上鍍制金屬膜系以禁止座艙內部的電磁散射，或採用低RCS座艙外形設計，可具備一定的雷達隱身功能。隨著現代科學技術的發展和軍事需求，透明件紅外隱身功能將得以實現。

圖3.四代機透明件外形圖片

以往的民用飛機和運輸機駕駛艙透明件一般採用平面型矽酸鹽無機玻璃層合結構，這種平面形狀玻璃對飛機的氣動外形有一定影響，而且透明件面積小、安裝的骨架影響飛行員的視野。波音系列、空客系列客機，以及我國的ARJ21、新舟系列的支線機均採用這種多塊式的無機層合玻璃(見右圖)。以A380、波音787為代表的新型客機駕駛艙風擋及側窗玻璃已開始採用大面積的曲面型層合玻璃，

民用飛機駕駛艙玻璃外形

我國研製的C919飛機駕駛艙玻璃也採用了這種外形設計。由此看出民機駕駛艙透明件也已向著曲面形狀、大面積、薄厚度、輕重量、高強度、寬視野的方向發展。

發展趨勢

隨著飛機對透明件提出的更加苛刻要求以及透明件外形設計技術的發展，對透明材料的要求越來越高，同時大大增加了透明件製造技術的難度，由此也給透明材料和透明件製造技術發展帶來了前所未有的機遇與挑戰，帶動了透明材料和透明件製造技術及相關輔助材料和技術的發展，透明件不再是單一技術的體現，而成為融材料學、光學、化學、力學和熱力學以及隱身技術等眾多學科為一體的綜合性技術。