座舱盖：飞行员的“金钟罩”

本文转自：解放军报

座舱盖：飞行员的“金钟罩”

■宋茹徐暘

高空座舱失密是一种什么体验？

大量高速气流涌入座舱，飞行员瞬间昏厥，战机随时面临坠落危险。

前不久，电影《长空之王》中鸟群撞破战机座舱盖的画面，让影迷们印象深刻。

“鸟撞战机事故”是飞行员心中的隐痛。一只飞鸟与一架高速飞行的战机相撞产生的冲击力，如同迎面撞上一颗炮弹。

其实，座舱盖是战机较为坚硬的部件。为了给飞行员提供安全可靠的飞行环境，战机座舱盖自诞生之日起就随着战机发展不断更新迭代，逐渐具备强度高、耐冲击、耐高温等特点，成为保护飞行员的“金钟罩”。

那么，座舱盖有哪些高科技？工艺制造又有哪些难点？本文为您一一解读。

一专多能，360度全方位保护

现代战机的飞行高度突破万米，并实现超声速飞行，伴随而来的是复杂多变的高空飞行环境。

研究表明，当一架先进战机在万米高空高速飞行时，气温、气压、含氧量、紫外线辐射等一系列指标均已超过人体可承受的极限。如何保护飞行员免受外部环境侵害，座舱盖发挥着至关重要的作用。

之所以能担此重任，靠的是座舱盖一专多能的综合实力，不仅可以为飞行员提供清晰视野，还能有效抵御高速气流、光线辐射和低温侵害，从容应对各种飞行环境挑战，并在飞行员弹射跳伞时迅速爆破，开辟逃生通道。

早期战机采用开放式敞篷座舱，战机飞行速度较低，飞行员穿戴皮大衣、防风镜和围巾抵御迎面而来的高速气流，这种情况持续到一战时期。

随着战机快速发展，其飞行速度攀升到200公里/小时。此时，飞行员难以承受战机高速飞行带来的强气流，甚至还要面对空气稀薄又寒冷的高空飞行环境。人们意识到，“敞篷”飞行已经不再适用。

在这种情况下，给战机座舱加个“罩”变得尤为迫切。于是，聪明的设计师为战机增加了“风挡”，形成了半封闭座舱。随后，又成功研制出全封闭座舱，初步具备了防风、保温等功能，一些战机座舱甚至还能防御来袭子弹，在二战中得到普遍应用。

二战后期，战机进入喷气式时代。20世纪60年代，又经历了从二代机到三代机的跨越，空战逐渐告别了短兵相接的模式，防撞击需求也从防弹向防飞鸟转化。与之相矛盾的是，弹射座椅的诞生要求舱盖容易破裂击碎。为此，设计师对战机风挡和舱盖分别采用不同设计，并通过金属边框加以连接，既能有效防止撞击，又提升了弹射座椅使用的安全性。

20世纪70年代，四代机的横空出世对座舱盖的功能提出新要求。为了方便飞行员观察飞行环境，光学设备成为研发重点，新一代座舱盖具备良好的滤光性，并减少紫外线和红外线辐射，在四代机上得到广泛应用。

如今，随着航空电子技术、材料科学、航空工程的发展，五代机座舱盖普遍具备隐身性能，并采用智能化设计，在座舱内显示关键飞行数据、导航信息等情况，为飞行员提供更好的飞行体验和空战能力。

硬核科技，为飞行员提供“全景天窗”

随着战机的迭代发展和空中任务的拓展，座舱盖面临的飞行环境越来越复杂，扮演的角色也越来越重要。现代战机座舱盖不仅要确保在各种极端恶劣的飞行条件下正常工作，还要满足飞行员各种生理参数和装机重量等方面要求。可以说，座舱盖是航空工程制造领域十分复杂的项目之一。

一块看似普通的“透明玻璃”，为何这么难造？又经过怎样的发展过程？

早期的座舱盖为蚌式结构，由三块式平面风挡和活动舱盖组成，类似于汽车驾驶舱的造型，与汽车的A、B柱造成的视野盲区一样，不利于飞行员观察外部环境。

“气泡式”座舱盖的出现，改善了飞行员观察视野问题。它由圆弧风挡和滑盖式舱盖组成，类似于在战机座舱上“吹”出一个大大的“肥皂泡”，并与风挡合并形成一体化座舱盖，为飞行员提供“全景天窗”，扩大观察视野。“气泡式”座舱盖既要透光又要阻光，既要抗撞又要易爆破，既要耐低温又要耐高温，这样的特殊功能，十分考验一个国家设计制造水平。

以国外某“气泡式”座舱盖为例，在研发阶段，设计师重点分析战机气动和隐身性能，通过三维建模等方式，模拟座舱盖的气动载荷、座舱增压载荷的分布情况，利用力学、光学、隐身特性等进行分析和精密计算，设计出座舱盖的气动外形、尺寸和曲面参数等一系列指标，并制作出模具。

只有设计没有技术，一切都是空谈。在制造加工阶段，设计师将不同材料加热，通过成熟工艺一次性“吹”出气泡形状。流程看似简单，但要兼顾多种材料在不同区域的温度、加热时间、层次分布、拉伸力等参数，这项技术成为不少国家难以逾越的鸿沟。此外，设计师还要开展透光率测试、冲击试验和温度环境测试等，并为其敷上一层“面膜”涂层，提升战机隐身性。

完成一系列加工步骤后，座舱盖才能装机。装机过程中还要考虑座舱盖在机身的定位、系统组件安装等要求，并与整机开启系统、气密系统、空调系统、救生系统等进行联调联试后，才能正式投入使用。

从简单到复杂，“透明玻璃”内藏玄机

作为飞行员的“金钟罩”，现代战机座舱盖之所以能够“刀枪不入”，除了独特的结构设计外，还源于其本身特有的“钢筋铁骨”。

材料学伴随着座舱盖发展的始终，在数十年的更新迭代中经历了从简单到复杂的转化。

早期的座舱盖采用无机玻璃，只具备基本的挡风功能，并暴露出重量大、易碎且工艺性能较差等方面缺陷。随后，被“气泡式”座舱盖取代。

化学工业发展催生出新材料，以丙烯酸酯和聚碳酸酯为代表的高分子透明材料逐渐成为座舱盖材料的主力军。丙烯酸酯具有重量轻、透光性好等特点，在同等强度下，其重量仅为传统无机玻璃的一半。

然而，随着战机进入超声速时代，高速气流与机身摩擦产生的温度高达110℃，对于热变形温度为104℃的丙烯酸酯类材料来说，其耐温性不足的问题很快暴露出来。

聚碳酸酯就是为了解决这一问题诞生的，其热变形温度可达130℃，韧性也极大增强，防鸟撞击能力突出。但聚碳酸酯工艺复杂、加工难度大，对后期保养提出很高要求。此外，聚碳酸酯耐磨性较差，容易被乙醇、汽油等溶解，这一问题也倒逼着设计师加快研发新产品。

如何取长补短实现材料升级？

美国战机的座舱盖由丙烯酸酯和聚碳酸酯压叠而成，在两层丙烯酸酯中间夹一层聚碳酸酯，设计成“三明治”的结构，综合了前者重量轻、透光性好，后者强度高、耐冲击的优点，在先进战机上得到广泛应用。俄罗斯则另辟蹊径，持续升级丙烯酸酯材料，研制出一种名为聚氟代丙烯酸酯的材料，新材料可以耐180℃高温，大幅简化了加工工艺。

不过，无论哪种方案，都存在一定缺陷，如易刮伤、易被有机溶剂腐蚀等。意外的是，这些缺陷恰恰是无机玻璃具备的优势。

像是进入时空轮回，俄罗斯以无机玻璃为原材料，研制出第四代座舱盖材料——特种硅酸盐玻璃，并装备在某新型隐身战机上。这种材料耐高温性极强，防鸟撞击能力突出，未来还将运用到俄空军多型战机上。此外，为了提升战机座舱盖的隐身性，设计师采用氧化铟锡膜等材料，在舱盖上涂上透明导电薄膜，将雷达波阻挡在座舱外，防止座舱内飞行员以及仪表盘等部件反射雷达波。

科技进步永不停歇，座舱盖发展日新月异。未来，随着更多先进材料投入使用，战机座舱盖不断升级改进，也许“气泡式”座舱盖很快成为历史，新的座舱盖将会展现出更加先进、更加可靠的新面貌，成为飞行员的新一代“金钟罩”。

上图：采用“气泡式”座舱盖设计的苏-35战机。 资料照片