美國戰(zhàn)斗機結構設計選用鈦材思路

美國統(tǒng)計20世紀60~70年代的美越戰(zhàn)爭中失事飛機中發(fā)現(xiàn)，一部分發(fā)生飛行事故的飛機是由于一種低應力的結構斷裂造成的，即在低于材料的屈服強度以下的應力環(huán)境下構件發(fā)生脆性斷裂事故。通過相關專家的深入研究發(fā)現(xiàn)，采用鑄造或鍛造工藝生產的構件內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)的拉伸強度與塑性來測算。其服役的安全性、可靠性和壽命需要結合裂紋在應力環(huán)境下的失穩(wěn)擴展情況來計算，即結構材料的抗裂紋失穩(wěn)擴展能力越好，服役越可靠與安全，發(fā)展出了結構材料斷裂韌性（KIC）理念與相對于的飛機破損- 安全設計概念。美國在新一代的飛機設計中充分利用了破損- 安全設計概念和損傷容限設計準則，以大幅度提高飛機機體服役的可靠性和壽命。

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

F-15 戰(zhàn)斗機機身為全金屬半硬殼式結構，分為3段：前段包括雷達罩、座艙、電子設備艙等，主要結構材料為鋁合金；中段與機翼相連，前3 個框為鋁合金結構、后3 個框為鈦合金結構，材料為Ti-6Al-4V 鈦合金，占中機身結構重量的20.4% ；后段主要是發(fā)動機艙和連接垂直安定面、水平尾翼的承載尾梁，采用全鈦合金結構設計，包括隔框、珩條、減速板以及蒙皮等。F-15 戰(zhàn)斗機機翼結構為多梁抗扭盒型破損安全結構，機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，機翼內側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)斗機上鈦合金結構件毛坯的供應形式主要以鍛件為主。據統(tǒng)計，該機使用鍛件共計500 多項，其中鈦合金為108 項，包括機翼內側的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時先進的等溫鍛造工藝。同時，為了節(jié)省制造費用，部分鈦合金結構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。總體來說，F(xiàn)-15 戰(zhàn)斗機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，其大型結構件、耐疲勞壁板件、連接緊固件基本都采用Ti-6Al-4V 鈦合金制造，小型結構件、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。機翼用鈦601.91kg、水平尾翼用鈦132.44kg、垂直尾翼用鈦65.77kg、機身用鈦1152.57kg、起落架用鈦43.09kg、發(fā)動機艙用鈦32.65kg、進氣道用鈦62.59kg，全機用鈦2091.06kg。