全复合材料外部燃料箱
经过多年的研究,GDATP为F/A-18成功开发了一种1 817 L的全复合材料外部燃料箱。该油箱在结构和材料上做了一系列创新,终能够很好地满足舰载机对安全性和载荷的要求。
在20世纪60年代,当美国海军和空军为了扩展战斗机的任务范围而准备使用外部燃料箱时,钢、铝和其他金属在当时是比较理想的材料。现在隶属于波音公司(位于美国伊利诺伊州芝加哥)的McDonnell Douglas公司(以下简称“McDonnell”)使用的批外部燃料箱便是由金属制成的,包括F-4鬼怪式飞机上的2 271 L油箱和A-4天鹰飞机上的1136L油箱。
然而,一场灾难使设计师们不得不去寻找更好的制造材料。1967年7月,在“佛瑞斯塔号”航空母舰(CV-59)被派往越南海岸时,从另一架战斗机上发射的一枚导弹不慎击中了飞行甲板上停放的一架A-4喷气机。A-4喷气机的外部燃料箱发生破裂,随后燃料燃烧引发的大火在甲板上迅速蔓延,其他飞机很快被大火吞噬了。在这次美军历史上严重的意外事故中,共有100多名海员不幸身亡。
悲剧发生后,美国海军对这场事故进行了调查,并对如何改善航母的抗火灾能力进行了研究。调查显示,使用全金属的外部油箱是非常不安全的,因为这些油箱在受到硬表面冲击时,会发生弹道刺穿和破裂。因此,美国海军命令必须对外部油箱进行一系列严格的测试,以确保外部油箱能够满足安全性和飞行负荷的要求。这些测试包括:将一个完整的油箱弹射到坚硬的表面上,以测试油箱的抗冲击能力,以及油箱的防火性能等。测试要求油箱需保持一个合乎规定的结构完整性,以尽量降低发生损坏和火灾的可能性。
为了满足测试要求,在20世纪70年代中期,General Dynamics Armament and Technical公司(以下简称“GDATP”,位于美国内布拉斯加州林肯)与McDonnell决定共同开发这种外部燃料箱。
混合结构设计
经过大约10年的时间,这两家公司设计出了一种使用复合材料和金属制成的油箱,用于F/A-18“大黄蜂”战斗机。由于在当时,树脂的耐燃油性还必须经过复杂的测试和鉴定,因此他们决定采用混和结构,而不是全部使用复合材料。该油箱用铝做内衬,外包一个夹层结构,再通过使用S-玻纤/环氧纱线进行缠绕,来铺放夹层的内蒙皮和外蒙皮。该油箱的芯材是聚氨酯泡沫填充的蜂窝材料,它是用杜邦防护技术公司(位于美国弗吉尼亚州里士满)开发的Kevlar芳纶和S-玻纤纱缠绕外壳制成。同时,铝制内胆由McDonnell提供,GDATP制造外蒙皮和芯材。这款油箱有两种规格,即1 250 L的圆柱形结构和1 192 L的椭圆形结构。虽然早在20世纪80年代,GDATP就停止了这些油箱的生产,但是目前,以色列Elbit系统公司的子公司Cyclone有限公司(位于以色列Karmiel)仍然在原设计的基础上继续生产这种混合结构的油箱。
在复合材料被成功用于混合结构的油箱后,McDonnell和GDATP在20世纪80年代中期为了进一步降低油箱重量,开展了对F/A-18使用全复合材料外部燃料箱可能性的研究。
全复合材料制造
当时,汽车行业已推出了款采用高密度聚乙烯(HDPE)制造的全塑料油箱,因此航天工程师们希望能从这款油箱中获取灵感。GDATP的业务发展部高级经理Rick Rashilla表示:“除了要与长期接触的飞机燃料兼容外,树脂还必须与制造工艺相匹配。”但是HDPE不符合这些条件,同时它也无法满足飞机对重量的要求,同时存在难以和蜂窝芯形成良好粘接的问题。与设计汽车油箱不同,飞机外部燃料箱的设计面临更加严峻的挑战,例如飞机对载荷的限制等,并且飞机外部油箱受到冲击的风险要比汽车内部油箱大的多。因此,工程师们必须要找到一种性能非常好的树脂,这种树脂要能够与飞机燃料长时间接触,并能抵御恶劣的操作条件,同时需满足重量和可制造性的要求。
经过一年左右的测试,GDATP开发了一种能够满足上述所有要求的环氧树脂系统。Rashilla说:“我们成功的诀窍是找到了一种多组分并具有高伸长率的环氧树脂系统,进而成功制造出了可阻挡燃料渗透的玻璃纤维缠绕的内衬。”据他介绍,该内衬选择了S-玻纤,这是因为该玻纤以低于碳纤维的成本,为外部燃料箱提供了足够的结构支撑。
在基础设计方面,批全复合材料油箱的芯材与混合结构油箱的芯材极为相似。另外,该油箱的外壳是由Hexcel公司(位于美国康涅狄格州斯坦福德)的HexTow AS4 PAN基碳纤维和S-2玻纤缠绕的混合层组成的,其中S-2玻纤是由Owens Corning公司(位于美国俄亥俄州托莱多)和和美国空军共同开发研制的。1998年,S-2玻纤成为了Owens Corning公司和Porcher工业集团(位于法国Le Grand Lemps)的合资企业Advanced Glassfiber Yarns公司(位于美国南卡罗来纳州艾肯)的著名商标产品。
因为衬板用环氧树脂需要满足燃料电阻标准的要求,所以GDATP配制了一个不同品级的环氧树脂,用于具有主结构功能的外壳。同时,该油箱带有检修门,并在耳片套管周围区域增加了织物(圆柱形的衬袖联接)。
到20世纪80年代后期,用于F/A-18的1 817 L全复合材料外部燃料箱投入生产。个使用者是加拿大皇家空军,他们将油箱用在了CF/A-18s上。之后,这种油箱又被用于美国陆军UH-60“黑鹰”直升机和AH-64阿帕奇直升机。
全复合材料油箱比混合结构油箱轻30%左右,同时其内衬是在钢质芯模上通过湿法缠绕制成。具体过程是:先缠绕一层环氧浸渍的S-玻纤(厚度为1.9mm),再将一层厚度为9.53mm的泡沫填充芳纶芯材贴附在内衬上。在烘箱中固化后,将内壳/芯材沿圆周方向切割成两半,后除去芯模。油箱内安装了一个正方形的箱形梁,它由两个玻璃纤维臂和一个碳纤维/环氧缠绕的强力背板制成,用以提供内部结构支撑和外部附着点。该强力背板的顶部设计半径与内壳相同。
另外,圆形耳片套管形成强力背板的顶部,起到飞机挂架连接头的作用,并作为燃料、空气和电气线路的导管。这两部分用一种粘接剂进行粘接,然后用1.9 mm厚的环氧树脂涂覆S-玻纤和碳纤维层,并缠绕在内衬板和芯材的四周,以形成外壳。后,将整个组件放在烘箱中以促进外壳固化。
全复合材料的设计引起了仍在使用混杂油箱的美国海军的兴趣。这种设计满足通用航空母舰的要求,但它必须符合F/A-18舰载机在辅助弹射起飞和拦阻尾构式减速降落的过程中对极端载荷的要求。为了弥补这些不足,GDATP在某些区域增加了复合材料,如耳片套管的连接点。终,在20世纪90年代初,一种1 817 L的舰载机外部燃料箱达到了标准要求。
之后,通用电气公司也生产了一种类似的油箱。现在,GDATP不再生产这种油箱,但仍为其提供售后服务和库存部件。
未来发展
GDATP的建模和仿真软件建立在ANSYS公司(位于美国宾夕法尼亚州匹斯堡)的商业软件平台上。这种软件能够在油箱内设计参数的迭代上建模,以模拟不同的纤维、厚度和方向对载荷及应力的影响。同时,在特殊编程功能的帮助下,还能够实现快速建模。
Rashilla表示,接下来,GDATP将为F-35闪电II飞机设计和制造全复合材料外部燃料箱,但目前资金尚未获得批准。“F-35舰载变型机对油箱的要求在本质上类似。”Rashilla说,“我们希望能够把我们在F/=A-18油箱设计中学到的经验教训运用到该项目中。”








































