美國戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計選用鈦材思路

美國統(tǒng)計20世紀(jì)60~70年代的美越戰(zhàn)爭中失事飛機(jī)中發(fā)現(xiàn)，一部分發(fā)生飛行事故的飛機(jī)是由于一種低應(yīng)力的結(jié)構(gòu)斷裂造成的，即在低于材料的屈服強(qiáng)度以下的應(yīng)力環(huán)境下構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂事故。通過相關(guān)專家的深入研究發(fā)現(xiàn)，采用鑄造或鍛造工藝生產(chǎn)的構(gòu)件內(nèi)部不可避免地存在一些一定尺寸的裂紋或缺陷，這種存在裂紋類缺陷的非連續(xù)致密構(gòu)件的服役使用的安全性、可靠性和服役壽命不能簡單地使用常規(guī)的拉伸強(qiáng)度與塑性來測算。其服役的安全性、可靠性和壽命需要結(jié)合裂紋在應(yīng)力環(huán)境下的失穩(wěn)擴(kuò)展情況來計算，即結(jié)構(gòu)材料的抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力越好，服役越可靠與安全，發(fā)展出了結(jié)構(gòu)材料斷裂韌性（KIC）理念與相對于的飛機(jī)破損- 安全設(shè)計概念。美國在新一代的飛機(jī)設(shè)計中充分利用了破損- 安全設(shè)計概念和損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則，以大幅度提高飛機(jī)機(jī)體服役的可靠性和壽命。

F-15戰(zhàn)斗機(jī)是美國麥克唐納· 道格拉斯公司為美國空軍研制生產(chǎn)的雙引擎、全天候、高機(jī)動性空中優(yōu)勢重型戰(zhàn)斗機(jī)，該飛機(jī)于1972年7月首次試飛，1974年開始量產(chǎn)并交付美國空軍使用，后期進(jìn)行了多型改進(jìn)設(shè)計，其中最為著名的就是F-15E。該機(jī)長19.43m、機(jī)高5.68m、翼展13.03m、空重12700kg，最大起飛重量30845kg。麥克唐納飛機(jī)公司在最初設(shè)計時認(rèn)為，為了使設(shè)計達(dá)到爬升速度快、加速時間短、起降距離短、著陸地速度緩、耐熱環(huán)境及耐腐蝕等指標(biāo)要求，必須在結(jié)構(gòu)選材上進(jìn)行大膽創(chuàng)新，即大量選用輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕的鈦合金材料替代F-4 飛機(jī)大量使用的結(jié)構(gòu)鋼，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金材料占整個結(jié)構(gòu)重量的26.1%。

F-15 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身為全金屬半硬殼式結(jié)構(gòu)，分為3段：前段包括雷達(dá)罩、座艙、電子設(shè)備艙等，主要結(jié)構(gòu)材料為鋁合金；中段與機(jī)翼相連，前3 個框為鋁合金結(jié)構(gòu)、后3 個框為鈦合金結(jié)構(gòu)，材料為Ti-6Al-4V 鈦合金，占中機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的20.4% ；后段主要是發(fā)動機(jī)艙和連接垂直安定面、水平尾翼的承載尾梁，采用全鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括隔框、珩條、減速板以及蒙皮等。F-15 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)為多梁抗扭盒型破損安全結(jié)構(gòu)，機(jī)翼前梁為鋁合金材料制造，其后的3 個翼梁采用鈦合金材料制造，機(jī)翼內(nèi)側(cè)整體油箱的下蒙皮為鈦合金材料，其余為鋁合金中厚板整體加工而成的蒙皮壁板。F-15 戰(zhàn)斗機(jī)垂直安定面和水平尾翼的抗扭盒均采用鈦合金材料制造?；裟犴f爾公司為其配套的剎車系統(tǒng)同樣為了減重使用鈦合金材料制造的扭力筒及碳剎車盤，扭力筒早期使用Ti-6Al-4V 鈦合金鑄件，后期改為Ti-15-3 鈦合金鑄件。

F-15 戰(zhàn)斗機(jī)上鈦合金結(jié)構(gòu)件毛坯的供應(yīng)形式主要以鍛件為主。據(jù)統(tǒng)計，該機(jī)使用鍛件共計500 多項，其中鈦合金為108 項，包括機(jī)翼內(nèi)側(cè)的3 個翼梁、尾翼大梁以及主要的承力框都是采用Ti-6Al-4V 整體鍛件，特別是承力框的寬度達(dá)到了3m，為特大型鈦合金鍛件；一些腹板較薄的鈦合金件還采用當(dāng)時先進(jìn)的等溫鍛造工藝。同時，為了節(jié)省制造費用，部分鈦合金結(jié)構(gòu)件毛坯采用近凈成型的粉末冶金（+ 熱等靜壓工藝）件，如Ti-6Al-4V 鈦合金制造的機(jī)翼大梁龍骨連接板，較鍛件降低成本50%。在裝配方面，采用了大量Ti-6Al-4V 鈦合金緊固件?？傮w來說，F(xiàn)-15 戰(zhàn)斗機(jī)使用的主要鈦合金材料包括Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-3Al-2.5V 等鈦合金，其大型結(jié)構(gòu)件、耐疲勞壁板件、連接緊固件基本都采用Ti-6Al-4V 鈦合金制造，小型結(jié)構(gòu)件、耐疲勞性能不高的壁板件采用Ti-6Al-6V-2Sn 制造，液壓、燃油管件基本采用Ti-3Al-2.5V 鈦合金制造，復(fù)合材料蒙皮連接中大量使用的鉚釘主要采用Ti-45Nb 鈦合金制造。機(jī)翼用鈦601.91kg、水平尾翼用鈦132.44kg、垂直尾翼用鈦65.77kg、機(jī)身用鈦1152.57kg、起落架用鈦43.09kg、發(fā)動機(jī)艙用鈦32.65kg、進(jìn)氣道用鈦62.59kg，全機(jī)用鈦2091.06kg。