601所王向明院士丨基于增材制造的新型战机结构创新

摘要：基于传统制造技术的“经典” 结构质量大、疲劳薄弱部位多，难以满足未来战机的研制需求。基于增材制造技术特征优势开发的创新结构（三维承载整体结构、仿生构型结构、梯度金属结构、微桁架点阵结构）突破传统结构的束缚，具有轻量化、长寿命、低成本等特征，可大幅度提升机体平台品质，为未来新型战机研制提供有效的技术途径。本文以燃油管接头、环形散热器、三维框梁整体结构为例，阐述增材新型结构设计制造一体化开发全过程；对比原传统制造方案，可取得大幅度减重、成品率提升、疲劳薄弱部位减少等显著效益。此外，还探讨了光纤传感、建筑工程结构等跨领域技术对战机结构创新的借鉴意义。

关键词：战机结构；构型创新；增材制造；设计制造一体化

机体结构是战斗机的载体平台，由数万个零件组成，对设计和制造要求高，其品质直接影响战机的飞行安全和作战任务完成能力，是先进战机的“根”。历经数十年发展，喷气式战机已达第四代，机体结构正在由传统设计制造向先进设计制造技术方向发展。目前战机机体结构已出现瓶颈，主要体现在超重、开裂等问题上，难以满足新一代飞机的研制要求，制约新型战机发展，各国都在寻找解决瓶颈问题的技术方案。近年发展起来的增材制造技术具有可成形复杂结构、定制化制造、周期短等优势，已具备制造战机结构应用潜力，为突破机体结构平台瓶颈提供了技术可能。

战机机体结构发展经历

在飞机设计领域，有一个基本共识——“ 一代飞机、一代技术” 。每一代战机，在其研制要求牵引下，对该时期相关技术的最高水平进行综合应用，包括设计、材料、制造、实验、使用维护等方面，该代飞机的技术特征与当时的飞机研制需求息息相关。而每一代跨代战机的出现，其研制需求都会大幅度提高，因此也会牵引着相关技术出现跨越式发展。从 1940 年第一代喷气式战斗机问世以来，至今已发展出四代战斗机，各代战机机体结构平台的设计、材料、制造技术差异显著。

第一代战机是亚音速飞机，结构类型多以半硬壳式结构为主，材料主要是铝合金和合金钢，代表机型有佩刀“ F-86” （美国，1945 年设计，1947 年首飞，1949 年装备部队）。第二代战机强调高空高速性能，开始出现蜂窝结构和整体金属壁板等结构类型，材料仍然以铝合金和合金钢为主体，制造工艺多用铆接进行装配，代表机型有幻影“ MirageF1” （法国，1964 年设计，1966 年首飞，1973 年装备部队）。第三代战机的设计特征是高空、高速、高机动性，结构类型有铝合金整体壁板、复材整体壁板、金属或复材蜂窝结构、超塑/扩散连接结构、焊接结构等，铝合金和钢比例下降，钛合金与复合材料开始应用。代表机型侧卫“ Su-27” （苏联，1969 年设计，1980 年首飞，现仍服役）。第四代战机特征是高隐身、超机动、超音速巡航，结构类型基本没有变化，复合材料、钛合金、铝锂合金等比强度、比刚度高的轻质材料广泛应用，传统铝合金和合金钢用量明显降低。代表机型猛禽“ F-22” （美国，1986 年设计，1990 年首飞，2002 年交付，2004 年形成战斗力）。

战机结构研制技术瓶颈

传统战机结构与传统的制造和装配技术紧密关联，主要采用车、铣、磨等减材方式和铸造等等传统战机结构与传统的制造和装配技术紧密关联，主要采用车、铣、磨等减材方式和铸造等等材方式进行制造，装配采用刚性工装和模具，通过螺接、铆接将结构构件组合在一起，战机结构的传统制造技术工艺过程如图 1 所示。

图2 新一代战机效果图

传统结构来源于传统的制造方式，与传统制造方式相契合，现在则受到其束缚制约。下一代战机机体结构创新突破的关键，就在于充分发挥新的先进制造技术的特征优势，基于以增材制造技术为典型的先进制造技术创造出不同于传统构型的全新结构构型。

增材制造又称 3D 打印，在高性能金属构件制造方面，是以合金粉末或丝材为原料，通过高能量热源（激光、电子束、电弧等）冶金熔化并快速凝固的方式进行逐层堆积的制造技术。不同于传统减材和等材的制造方式，增材制造依托数字化模型以生长的方式进行成形制造，具有可制造复杂结构件、无需模具、材料利用率高、可根据需求快速定制制造等特征，常见的增材制造方式见表 1。

表1 常见的增材制造方式

                       

增材制造以热源、材料、成形方式不同，可分为立体光固化（vat photo polymerization，VP）、材料喷射（material jetting，MJ）、黏结剂喷射（binder jetting，BJ）、粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）、材料挤 出 （material extrusion，ME) 、定向能量沉积（directed energy deposition，DED）、薄材叠层（sheetlamination，SL）等类型。金属零件的增材制造技术主要有粉末床熔融、定向能量沉积、黏结剂喷射三类。其中粉末床熔融主要有激光选区熔化（selective laser melting， SLM）和电子束熔化（electron beam melting，EBM）两种工艺，定向能量沉积主要有激光近净成形（laser engineered net shaping，LENS）、电子束熔丝成形（electron beam forming，EBF）、电弧熔丝成形 (arc fuse forming，AFF ) 等工艺类型，黏结剂喷射主要有金属微滴喷射技术。

                       

图9 “框/纵向梁/垂尾梁”三维框梁整体结构

先进制造技术和跨领域先进技术将结构设计、成形加工与工程应用协同融合，创造出与传统不同的具有可实现性的全新结构。特别是基于增材制造开发出的三维承载整体结构、仿生构型结构、梯度金属结构、微桁架点阵结构等创新结构，具有轻质高效、长寿命、多功能、低成本、快速响应的特征，可以大幅度提升机体平台品质，为研制未来新型战机提供了技术支撑。增材制造需要关注的问题除了可制造性和发挥制造优势外，本身还存在微裂纹、微气孔造成的性能不稳定，疲劳寿命难以预测，梯度复合结构和微桁架等特殊结构失效判据难以界定等难题，如何稳定增材制造工艺，形成科学合理的增材制造结构失效判据及验证方式是目前增材制造技术急需解决的重要问题。

原文链接：

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000094