新材料在军用航空航天领域发展态势总结及趋势展望

 

 

军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机总称，是军用航空领域的主要技术装备。现代战争中，军用飞机在夺取制空权、防空作战、支援地面部队和舰艇部队作战等方面都发挥着重要的作用。军用飞机主要由机体、动力装置、起落装置、操纵系统、液压气压系统、燃料系统等组成，并有机载通信设备、领航设备以及救生设备等，其中，直接用于战斗的飞机还有机载火力控制系统和电子对抗系统等。

 

 

军用飞机按用途主要分为战斗机、特种飞机、加油机、运输机、武装直升机和教练机六种类型。在军用飞机中，战斗机是装备数量最多、应用最广、发展最快的机种，也是一个国家军队空中力量的核心，对于战时夺取制空权、确保空中战役的胜利具有至关重要的作用。在作战支援飞机方面，特种飞机、加油机、运输机等的发展广受重视，主要为歼击机、强击机、轰炸机等作战飞机提供各种技术支援。

 

 

按飞行平台构造形式的不同，军用飞机主要可分为军用固定翼飞机、军用直升飞机和军用倾转旋翼飞机。具体而言，不同飞行平台构造形式的军用飞机特征。

 

 

按是否载人的不同，军用飞机可分军用载人飞机和军用无人飞机。在目前世界军事潮流趋势下，未来战争、冲突将朝着无人化、智能化的方向发展，无人机在未来作战中将在多领域被广泛应用。从第二次世界大战期间，美国空军将无人机作为靶机使用算起，无人机在军事中的应用已有70年的历史，军用无人机的发展方向由单一的情报收集、通信中继、高空侦察等支援任务向火力打击等主战任务转变。

 

 

复合材料在多种材料上取长补短，产生协同效应，尤其是碳纤维复合材料，具有比强度和比刚度高、性能可设计、易于整体成型等诸多优异特性，相比常规金属结构减重25%到30%，广泛应用于飞机的机体、主翼、尾翼、机架、蒙皮及刹车片等部分，凭借优异的强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等特性，对钢、铝、合金有较强的替代性，主要起到减重作用。

 

飞机减重后，一方面可以提高飞机机动性能，以提高战场生存与作战能力;另一方面可以节省燃油，提高飞行器的作战半径与续航能力。碳纤维复合材料是现代飞行器结构设计制造上的最先进的结构材料之一，复合材料用量已成为衡量飞行器先进程度的主要指标之一。复合材料在航空装备领域的应用呈现以下特点：

 

 

在军用固定翼飞机方面，自20世纪70年代以来，碳纤维复合材料的应用从尾翼拓展到机翼、前机身、中机身、整流罩等多个部位。例如，美军的F1战斗机碳纤维复合材料用量仅1%，而F22和F35等五代战斗机的复合材料用量达到了24%与36%，美军的 B-2 隐身战略轰炸机的碳纤维复合材料占比也达到了38%;法国阵风战斗机的碳纤维复合材料用量达到24%;欧洲的台风战斗机碳纤维复合材料用量达到24%左右，其中全机表面的70%采用碳纤维增强复合材料。

 

我国军用战斗机的碳纤维复合材料使用亦呈现增长态势，我国第四代战斗机歼-10 和歼-11的碳纤维用量仅为6%和10%，但我国第五代战斗机歼-20的碳纤维使用比例已达到27%。随着我国新型战机的换代升级，军机碳纤维使用比例也将不断提升。在军用直升机方面，直升机比固定翼飞机的工作高度低，需要面对低空湿/热、干/寒、沙尘/雨淋、海水等恶劣环境，对材料综合性能要求较高。

 

碳纤维复合材料可实现军用直升机的轻量化与环境可靠性改良。二十世纪60年代，复合材料首先用于直升机旋翼桨叶;二十世纪80年代以来，第四代直升机将复合材料大幅用于机体结构，用量占 35%-50%;二十世纪90代，NH-90直升机的复合材料用量达95%，而S-97、V-280、H160等直升机几乎全部采用了复合材料。根据《我国先进复合材料产事业发展》公布数据，国内直升机Z-10复材用量超35%，新研制的专用武装直升机复材使用量超50%。

未来，我国直升机复合材料的使用占比仍有较大提升的空间。在军用无人机方面，其对复合材料的用量比例高，其快速发展将直接带动碳纤维复材需求量上升。无人机由于具备低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，对减重的需求较为迫切。在固定翼飞机中，全球最先进的五代战斗机普遍在20%-40%的复合材料使用比例，相比而言，先进无人机的复合材料使用比例基本是所有航空器中最高的。如全球鹰无人侦察机的复合材料用量占比达到 65%，X-45、X-47B、“神经元”、“雷神”等先进无人机的复合材料使用占比则高达90%;我国“彩虹4”无人机、翼龙I-D无人机复材使用量已经超过80%，与全球顶尖的无人机保持同一水平。

 

 

截至 2020 年 12 月底中国共有各类军用飞机 3,260 架，同期美国、俄罗斯战机规模分别为 13,232 架和 4,143 架，数量大幅超过中国。2020 年我国在役战斗机 1,571 架，占我国在役飞机比例接近 50%。在机型的数量方面，2020 年我国战斗机占比全球第二，但数量只有美国的一半左右;而武装直升机、教练机、运输机、特种任务飞机、加油机等机型的数量与美国存在巨大差距。从战斗机的代际结构上看，中国战斗机中大量存在着歼-7、歼-8 等老旧三代机型，四代机、五代机数量占比远远低于美国、俄罗斯两个世界强国。歼-7、歼-8 等三代机均为上世纪 90 年代以前的主流机型，服役时间较长，未来将逐步升级为歼10、歼-16、歼-20 等四代或五代新机型，四代、五代机等先进战机复材用量远高于歼-7、歼-8等老旧机型。此外，随着国内新型直升机、教练机、运输机的成熟，相关飞机也面临着大量的列装、换装需求。国内军机数量、质量均有较大的提升空间，新型战机的换装、列装将推动军用航空复合材料需求持续增加。

 

 

2019年-2028年全球军用无人机年产值(含采购)将逐年增长，预计至2028年将达到147.98亿美元，年产值(含采购)复合增长率约5.36%。随着全球安全问题与领土争端不断爆发，列装军用无人机成为了各国以较低成本增强自身国防实力的有效手段。

 

军用无人机具有超高机动性、载弹量大、作战成本低、没有人员伤亡风险等优点，未来，多架军用无人机与军用载人飞机组成编队，是信息化条件下提高作战效能的重要趋势。我国的军用无人机已走出国门，据 SIPRI 统计，2020年我国军用无人机出口超过以色列，排名全球第二。

 

目前我国出口了众多具有打击功能的军用无人机型号，包括翼龙系列、彩虹系列、ASN-209、WJ-600 等，主要出口地涵盖中东、非洲、西亚、东南亚等地区的发展中国家。这些国家现阶段普遍缺乏军用无人机的自主研制能力，且多数面临着欧美等国家的无人机出口限制。军用无人机在全球市场的需求方兴未艾，未来有望带动航空复合材料需求的持续增长。

 

 

 

航天是指载人或不载人的航天器在地球大气层之外的航行活动，航天装备是航天领域的物质基础与核心要素。从动力装置和飞行范围看，火箭和大部分导弹更接近于航天器，故将火箭和导弹归至航天的范畴，即按照应用领域，航天装备包括航天器、导弹与火箭三大类。

 

 

航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间，基本按照天体力学的规律运动的各类飞行器，又称空间飞行器。与自然天体不同的是，人为控制下可以改变航天器的运行轨道或将其回收。根据是否载人，航天器可分为无人航天器和载人航天器。无人航天器按是否绕地球运行分为人造地球卫星和空间探测器;载人航天器按工作方式分为载人飞船、空间站和航天飞机。

 

 

导弹，又称制导导弹或制导火箭，是一种由喷气发动机或火箭发动机等动力装置实现制导飞行的远程武器，凭借打