有意思的是:美帝在这个方面有一个绝活。多层不同材料层合后压叠成型,用的是传统的压力成型法,因此做一个F-22那样的座舱盖,一层一层压,全套工艺耗时六周。这个成本是无法接受的,而新的注射成型法只要1小时。量产型F-22就采用这样的工艺。要知道,如果是同一种材料,注射成型法是一种普通传统工艺。但丙烯酸酯和聚碳酸酯是不同材料,还能做到注射成型而各层不乱。从这样一件小事上,航空大国的功力足见一斑。
F-22的一体座舱盖采用了注射成型法制造
在YF-22原型机上,美国采用的还是丙烯酸酯舱盖。随着工艺上的突破,到了量产型的F-22,用的就是二种材料多层复合的座舱盖了。
事情到这里,就该轮到隐身技术的金属镀膜上场了。即在有机玻璃座舱盖表面,再镀一层金属薄膜,切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线。
美国人用的是氧化铟锡(ITO)膜,厚10-20纳米。ITO是一种铟(III族)氧化物(In2O3) 和锡(IV族)氧化物(SnO2)的混合物,通常铟氧化物占90%,锡氧化物占10%。ITO膜层的电阻率一般在5*10e-4左右,最好可达5*10e-5,已接近金属的电阻率,同时透光率超过90%,化学性质稳定,对有机玻璃和无机玻璃都有很好的附着性。用磁控溅射法镀了这层膜,再加上其他强化增透膜和保护层,隐身座舱盖(不含机构件)就大功告成了。
费了这许多功夫,隐身座舱盖究竟能让座舱降低多少RCS呢?
我们再以狮式战斗机为例,在采用低信号技术即隐身措施之后,全机RCS从9平米降大幅降低到1.1-1.4平米。其中,带屏蔽和吸波涂层的进气道RCS可降低到0.4-0.5平米,倾斜安装天线的雷达舱RCS为0.3-0.4平米,镀金属膜的座舱盖使座舱RCS降低到0.15平米(比原来座舱的2平米降低90%以上),机体降低到0.2-0.3平米。这一次,座舱在全机RCS的比例大约为9-13%。
下面我们简单介绍一下俄式座舱盖的不同。
2 俄式座舱盖材料简述
俄罗斯的座舱的材料,并未采用美式的聚碳酸酯。而是采用了丙烯酸酯的一个分支材料:多层复合的聚氟代丙烯酸酯,作为座舱盖的基础有机玻璃。其最大特点是耐高温超过180°C,比F-22的聚碳酸酯还要高40°C,非常适合高速飞行。
但是这种树脂的硬度小,耐磨性差,长期日照会改变树脂的性质。而且材料中的氟有毒,环境友好性差。因此,俄罗斯也另辟蹊径,用美国淘汰的无机玻璃与聚氟代丙烯酸酯复合,大大提升了耐磨性,而且降低了成本。使得其座舱盖使用皮实,维护容易,就是材料比较的脆性高,韧性低,因此不得不做的更加厚重。这些特点,完全符合老毛子在兵器工业上的一贯作风。
根据俄罗斯“科技‘科学生产企业(NPP Technology)2012年3月介绍,T-50用等离子化学沉积法制作聚合物舱盖主体,以等离子磁控溅射镀上金属薄膜,由金属播磨与聚合物层交替构成。风挡上还有成对出现的金属丝作为加热除雾电极。
T-50和米格-35的镀膜座舱盖
最后,俄式战机座舱盖的金属膜,主要采用的是金膜(Au膜),而不是氧化铟锡膜(ITO膜),也是与美式四代机的重要不同。
有朋友问了,美俄都说了,该轮到中国了吧。
3 关于J-20原型机2017座舱盖的讨论
20的事情,比较敏感,披露极少。兵器迷只能结合上面的介绍,略作讨论,大家拍砖。
首先,媒体普遍报道2017用的是金膜,即Au膜。兵器迷觉得难以确定。目前,世界上先进战机座舱盖的膜系确实有两个,就是ITO膜系和Au(金)膜系。媒体的判断依据是颜色。为此,让我们再看一下2017的座舱盖:
歼-20原型机2017的座舱盖
从上图看,这个依据有一定道理,但是兵器迷觉得,尚不充足。Au金膜系确实能呈现金属橙或淡茶色,难道F-22的ITO膜系就不能呈现出同样颜色吗?
过去就曾有网友争论说F-22的隐身金属膜是金膜,因为看上去是淡金色,而另一些网友说是ITO,因为呈现的是淡绿色。
这又是怎么回事?难道这个座舱盖是两眼异色的波斯猫不成?
其实,F-22用的是ITO膜。因为ITO膜在弱光线(如室内)下,确实是略显茶色,因此看起来像金膜。但是,如果在较强烈的阳光照射下,ITO会呈现出一种淡淡的墨绿色,这并不矛盾。
机库内的F-22座舱呈淡茶色
晴空下的F-22座舱盖呈现淡绿色
现在猜一猜,F-35这种座舱盖用的是Au膜还是ITO膜?
F-35的座舱盖
光照不同造成的颜色差异,这就是兵器迷对媒体“土豪金“结论的疑问。因此,更准确的判断,需要更加丰富的证据。在此之前,兵器迷不敢请下结论。
此外,座舱盖的Au膜和ITO膜系,实际上并不一定是非此即彼,可以二者兼具。比如T-50未来的膜系,就有可能采用黄金+铟+锡,每层20-30纳米厚,共90纳米厚的镀膜,可以让电子设备辐射外泄为原来的1/250。
当然,兵器迷并不是对J-20采用金膜全面否定。因为实际上,Au膜和ITO膜的电磁性能基本上相同。而Au膜的优点是:工艺简单成熟,性能稳定,镀一层后长期不改变性质,因此可维护性更好。Au膜的缺点主要是在光学性上,如果厚度超过10纳米,则透光率就会下降很快。比如,上例中T-50如果要采用20-30纳米厚的Au膜,透光率会下降到70%左右。
反之,而ITO比Au膜,光学性占优,但工艺性就是弱点,真空层沉积工艺非常昂贵,而且ITO膜比较脆弱,柔韧性稍差,因此完成镀膜后,日常维护和寿命不如金膜。
更何况,从技术上看未来的发展,更加便宜,原料供应更加可靠的防辐射导电膜,应当是碳纳米管导电镀膜,也就是石墨烯。关于这方面,国内的情况是……(以下删去XXX字)。
总之,对于中国J-20这样的跟随创新四代机,隐身效果是刚需,而透光性差一些,对超视距作战为主的作战模式影响不大,选择工艺成熟的金膜,是完全可以理解的。从作战环境和维护成本上看,金膜也有优势。事实上,国内对Au膜的研究非止一日,且在应用上,J-20也未必是第一个型号。
有兴趣的同学,可以看看,10月份媒体曝光的疑似案例中,这款战机座舱盖用的是什么膜。
2015年10月歼-10B的座舱盖
