通用动力公司的全科莫斯特外部油箱插图：Karl Reque

通用动力公司的480加仑/1817升油箱设计符合美国海军对航母生存能力的要求。

一架F/A-18F“超级大黄蜂”被分配到第22攻击战斗机中队（VFA），就在降落在卡尔文森号航空母舰之前。其外部油箱通过吊挂连接到飞机的炸弹架上。吊挂连接在加固的吊耳井处（见上图）。

设计成果：

• S-2玻璃内衬浸渍了专有的环氧树脂，与纤维缠绕工艺兼容，能够抵抗连续暴露在喷气燃料中。
• 由聚氨酯泡沫填充的凯夫拉制成的蜂窝芯增加了航母生存能力要求所需的结构刚度。
• 油箱的碳纤维/环氧纤维缠绕“箱梁”通过外壳中的凸耳井为喷气式飞机提供内部结构支撑和连接点。

当美国海军和空军在20世纪60年代委托开发第一个外部油箱以扩大其战斗机的任务范围时，钢、铝和其他金属仍然是首选材料。麦克唐纳·道格拉斯公司（现为波音公司（伊利诺伊州芝加哥市）的一部分）使用的第一个外部油箱都是金属的。其中包括F-4幻影上使用的600加仑/2271L坦克和A-4天鹰上使用的300加仑/1136L坦克。

不幸的是，一场灾难让设计师意识到复合材料的潜在优势。1967年7月，美国航空母舰福里斯特尔号（CV 59）在越南海岸外部署，当时另一架战斗机无意中发射的导弹击中了停在飞行甲板上的A-4喷气式飞机。A-4的外部油箱破裂，燃料和火势蔓延到甲板上。大火迅速吞噬了其他飞机，在大火扑灭之前，100多名海员在美国军事史上最严重的事故之一中丧生。

在悲剧发生后，海军委托一个小组调查并建议在航母甲板发生火灾时提高生存能力的方法。除其他外，调查揭示了所有金属外罐的不可靠性，特别是在与硬表面碰撞时的弹道刺穿和破裂方面。随后，海军对航母环境提出了更严格的生存能力和性能要求。其中包括一系列测试，以确认油箱有能力满足生存能力和飞行载荷标准。其中几项测试非常严格，包括将满载的油箱弹射到坚硬的表面上、弹丸撞击和抗篝火。所有这些测试都要求油箱保持规定的结构完整性，以尽量减少损坏和火灾蔓延的可能性。

在70年代中期，通用动力武器和技术产品公司（GDATP，林肯，内布拉斯加州）与麦道公司合作设计了一个符合这些标准的外部油箱。

混合动力设计使早期油箱成为可能

到本世纪末，这两家公司已经为F/a-18大黄蜂战斗机建造了一种混合材料/金属油箱。决定采用混合动力结构，而不是全复合材料油箱，主要是基于这样一个事实，即当时一种耐喷气燃料的树脂系统尚未经过测试和鉴定。

该储罐由铝制内衬组成，外覆三明治结构。三明治的内层和外层是通过使用S-玻璃/环氧树脂纱线进行纤维缠绕铺设的。核心是由Kevlar芳纶制成的聚氨酯泡沫填充蜂窝，由现在的杜邦保护技术公司（弗吉尼亚州里士满）开发，以及S玻璃纤维纱的纤维缠绕外壳。麦道公司提供铝罐，GDATP制造外壳和核心。这些储罐有两种尺寸：一种是330加仑/1250升的圆柱形储罐，另一种是315加仑/1192升的椭圆形储罐。尽管GDATP在20世纪80年代停止生产这些油箱，但以色列Elbit Systems的子公司Cyclone有限公司（Karmiel，以色列）仍然根据最初的设计生产这种混合油箱的版本。

混合设计使早期油箱成为可能

到本世纪末，这两家公司已经为F/A-18大黄蜂战斗机建造了一种混合材料/金属油箱。决定采用混合结构，而不是全复合材料油箱，主要是基于这样一个事实，即当时一种耐喷气燃料的树脂系统尚未经过测试和鉴定。

该储罐由铝制内衬组成，外覆三明治结构。三明治的内层和外层是通过使用S-玻璃/环氧树脂纱线进行纤维缠绕铺设的。核心是由Kevlar芳纶制成的聚氨酯泡沫填充蜂窝，由现在的杜邦保护技术公司（弗吉尼亚州里士满）开发，以及S玻璃纤维纱的纤维缠绕外壳。麦道公司提供铝罐，GDATP制造外壳和核心。这些储罐有两种尺寸：一种是330加仑/1250升的圆柱形储罐，另一种是315加仑/1192升的椭圆形储罐。尽管GDATP在20世纪80年代停止生产这些油箱，但以色列Elbit Systems的子公司Cyclone有限公司（Karmiel，以色列）仍然根据最初的设计生产这种混合油箱的版本。

混合动力设计使早期油箱成为可能

到本世纪末，这两家公司已经为F/a-18大黄蜂战斗机建造了一种混合材料/金属油箱。决定采用混合动力结构，而不是全复合材料油箱，主要是基于这样一个事实，即当时一种耐喷气燃料的树脂系统尚未经过测试和鉴定。

模拟汽车突破

当时，航空航天工程师从汽车行业中汲取灵感，在那里，第一个全塑料气罐被引入了高密度聚乙烯（HDPE）。然而，GDATP业务发展高级经理里克·拉希拉Rick Rashilla表示喷气式油箱：“除了与长期接触喷气燃料相容，HDPE不能用于容外，树脂还必须与制造工艺相容。”HDPE则不然。它也没有达到体重目标。而且，它在与蜂窝芯的良好结合方面存在问题。GDATP面临着更严格的生存能力要求（起飞、飞行和着陆载荷），以及与内侧汽车油箱相比，外侧油箱的冲击风险更大。因此，工程师们面临着一项艰巨的挑战，即找到一种树脂，其硬度足以承受与喷气燃料的持续接触，并能够承受恶劣的操作条件，同时满足重量和可制造性要求。

经过大约一年的测试，GDATP开发了一种符合所有要求的环氧树脂系统。拉希拉说：“我们成功的诀窍是找到一种多部分、高伸长率的环氧树脂系统，这将使我们能够制造一种玻璃纤维、纤维缠绕的内衬，作为燃料渗透屏障。”。选择S玻璃作为衬里是因为“它以比碳纤维更低的成本提供了足够的结构支撑。”

第一个全复合油箱的核心在基本设计上与之前的混合油箱的核心相似——一个由芳纶制成的泡沫填充蜂窝核心。然而，外壳由Hexcel Corp.（康涅狄格州斯坦福德）供应的纤维缠绕HexTow AS4 PAN基碳纤维和Owens Corning（俄亥俄州托莱多）和美国空军共同开发的S-2 Glass混合层组成。1998年，S-2玻璃成为Owens Corning和Groupe Porcher Industries（法国Le Grand Lemps）独立合资企业Advanced Glassfiber Yarns（现称AGY LLC（南卡罗来纳州Aiken））的商标产品。

由于衬里的环氧树脂主要是为了满足耐燃油标准而开发的，GDATP配制了一种不同等级的环氧树脂，更适合外壳的主要结构功能。该油箱还设计了检修门和额外的织物层，用于加固吊耳井（圆柱形、套筒衬里接头）周围的区域，这些吊耳井为飞机炸弹架上的吊挂提供了连接点。

到20世纪80年代末，F/A-18的所有480加仑/1817升复合外部油箱都已投入生产。第一个客户是加拿大皇家空军，在其CF/A-18机队上使用了这些油箱。GDATP后来为美国陆军的UH-60黑鹰和AH-64阿帕奇直升机制造了（但没有设计）230加仑/871L版本的油箱。全复合油箱比混合油箱轻约30%。内衬湿缠绕在钢心轴上。将浸渍环氧树脂的S玻璃缠绕成0.075英寸/1.9毫米的层厚。然后将0.375英寸/9.53毫米的泡沫填充芳纶芯层附着在内衬上，并在烤箱中将两层一起固化。固化后，将内壳/芯沿圆周切成两半，并从心轴上拆下。由两个玻璃纤维臂或框架和碳纤维/环氧纤维缠绕的“加强背-strongback”形成的方形箱梁安装在油箱内，以提供内部结构支撑和外部连接点（见图，右上角）。坚固背的顶部设计有与内壳相同的半径，并与壳体内齐平。在坚固背顶部形成的圆形凸耳井用作飞机吊挂的接收接头，以及燃料、空气和电线的导管。这两个部分用粘合剂重新连接，然后将0.075英寸/1.9毫米厚的环氧涂层S玻璃和碳纤维层缠绕在内衬和芯上，形成外壳。将整个组件放入烤箱中，以促进外壳的固化。

全复合材料的设计引起了美国海军的兴趣，美国海军仍然使用混合动力油箱。其设计符合一般航母的生存能力要求，但GDATP被要求使其符合舰载F/A-18在弹射器辅助起飞和着陆时尾钩制动的极端载荷要求。为了补偿这些负载，GDATP在某些区域添加了复合材料，例如耳井连接点。这使得在20世纪90年代初，为航空母舰喷气式飞机认证了一个类似的480加仑/1817升外部油箱。

GDATP目前为其油箱提供服务和库存零件，但不再生产。然而，通用电气也生产类似的油箱。

项目就绪设计能力

GDATP的建模和仿真软件建立在ANSYS（宾夕法尼亚州卡农斯堡）的商业软件平台上。但拉希拉说，它已经过定制，使其能够模拟载荷和应力对罐内设计参数迭代的影响，包括不同的纤维、厚度和方向。他补充道，借助特殊的编程功能，可以快速进行建模。“在金属或叠层制造方法中，材料通常是众所周知的，工程师可以在手册中查找6061 P6铝的材料特性。”但Rashilla解释说，由于GDATP是用基础纤维和专有树脂配制自己的材料，因此该公司必须通过测试确定这些材料的A和B基允许值。简单来说，A基和B基容许值是指可以赋予给定测试数据集的统计确定性。客户决定特定应用中使用的材料是必须满足A基要求，这需要更广泛的测试数据，还是不太严格的B基要求。

拉希拉表示，鉴于这种准备状态，GDATP下一个主要的全复合材料外部燃料箱设计/制造机会可能是F-35闪电II。他预计在某个时候会为新飞机建造一个外部油箱，但有报道称资金尚未获得批准。拉希拉说：“F-35舰载机变体中使用的油箱的生存能力要求基本相同。”。“我们希望能够将我们在F/A-18油箱设计中吸取的经验教训应用于该项目。”

原文见《Carrier-capable, all-composite external fuel tank》 2011.5.2

杨超凡 2024.10.5