【材料改变战争】塑出天神的羽翼:决定空战走向的材料革命

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【材料改变战争】塑出天神的羽翼:决定空战走向的材料革命

2年前 · 科普中国

从掌握内燃机,到战争离开地表进入天空,人类不过只用了几十个太阳公转周期的时间。想一想吧,从学会拿着石矛到开始手持铜剑,人类花了几百万年的岁月。是不是觉得太快了?

那么,随着战场向立体方向的扩宽,飞行器的材料技术实则也在决定着每一轮空战,每一次战役,乃至每一场战争的走向,一切正如杜黑所说:“掌握制空权就是胜利,没有制空权则注定失败”。

  

  图为贴合中的P-47战斗机铝合金蒙皮,可见细密的铆钉。(图源:Warbird Information Exchange)

  知其一不知其二:零战和超级杜拉铝

从极端恐惧,“谈零战色变”到轻松戏耍这款旧日本海军航空兵的精锐战斗机,美国人的心态转变只用了几个月时间,这不仅是因为性能碾压的F6F“地狱猫”战斗机已经接近实装,更是因为美国人在阿拉斯加意外得到了一架完整的零战,通过评估之后发现了它的两个重要弱点,其中一个还特别致命:零战的金属材料特别易燃,以至于到了.50机枪燃烧弹碰到必起火的地步。

当然我们今天都知道,日本住友金属研发的“超级杜拉铝”一方面能极大降低零式战斗机上主要构件的重量,另一方面却也导致零战成了“易燃火鸟”。

但是,“超级杜拉铝”并没有在战后被弃用:所谓“杜拉铝”正是铝和铜的合金,“超级杜拉铝”则把部分铜换成镁和锌,这种铜镁锌铝合金在今天可谓是大放异彩,于电子产品领域大范围应用,也就是所谓“7000系铝合金”。

那么,日本人到底错在哪?其实“超级杜拉铝”的配比并没有问题,只是日本人在制造这款金属材料的过程中,少了一道关键的阳极氧化工序,后者正是现代铝合金得以做到强度和防火并存的关键。

奇迹的万能钥匙:航空胶合板

  

  图为大量使用胶合板件和木件的“蚊”式战斗轰炸机实物。(图源:acesflyinghigh)

  不得不说,在碳纤维复合材料大行其道的今天,林木作为航空材料仍在某些特定领域得到广泛应用,足可见这种自然材料的强度之大。

而在第二次世界大战时,航空胶合板更不是“落后”的代称;恰恰相反,大量战机正是依靠着木材和胶水飞上天空,甚至还有机翼主体使用云杉,表面使用胶合板的“木头奇迹”,英国“蚊”式战斗轰炸机。

如果再把标准放宽一些,那么美国在二战大范围使用的拖曳式空降滑翔机,也几乎是纯木制结构,这些被美国空降兵们蔑称为“飞行棺材”的滑翔机产量超过13000架,生产企业涵盖汽车制造厂、冰箱厂、甚至还有家具厂和棺材厂,倒也算是“名副其实”。

当然了,这种被士兵广为诟病的材质,要加工生产也并非易事。航空胶合板本身需要高质量的桦木、橡胶木等硬木,还需要复杂化工产线生产的专用胶水——二战时期苏联从盟国手中接收的重要物资之一,就是用于制造和黏合航空胶合板所需的特种胶水与设备。

更高,更快,更烫:钛合金与不锈钢的传奇

  

  图为流传被售卖的SR-71侦察机残破部件,多年来看不到哪怕一丝锈痕。(图源:worthpoint)

  木材易于加工,铝合金则重量轻,硬度高,但在人类突破了两倍音速,朝着三倍音速冲击的关口,它们却都双双出局:无它,即便是在高海拔空气稀薄的低温环境下,三倍音速的飞行器表面也会有350摄氏度以上的摩擦温度。

当然,除了燃点确实只有一二百(根据具体材质而定)的木材之外,铝合金也能拥有数百摄氏度的燃点,但即便数百摄氏度的热气流无法点燃铝合金,铝合金也会在持续加热中软化变形,失去支撑战机结构的主要功能。

为此,美苏两国在同样掌握钛冶炼技术的同时,却交出了完全不一样的答卷:美国人选择了加工难度和成本均极高的钛合金,换来了它超群的耐热、耐腐蚀和机械性能、以及轻到极致的重量;而苏联则在价格低廉的不锈钢上下功夫,最终把米格-25系列截击机的生产成本降低到了可接受的地步,整体效果同美国同行不相上下。

至于到底谁赢了?就几十年后的今天,我们下定论或许还是显得太早:在钛合金制造的航天飞机之后,不锈钢建造的“星舰”超级运载火箭已经显示出了更强的运载能力和成本控制水平,总的来说它们之间胜负未定,好戏还在后头。

出品:科普中国军事科技前沿

策划:赵清建

制作:旋钮工作室

监制:光明网科普事业部

文章来源:中国科协

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