美国战斗机结构设计选用钛材思路

美国统计20世纪60~70年代的美越战争中失事飞机中发现，一部分发生飞行事故的飞机是由于一种低应力的结构断裂造成的，即在低于材料的屈服强度以下的应力环境下构件发生脆性断裂事故。通过相关专家的深入研究发现，采用铸造或锻造工艺生产的构件内部不可避免地存在一些一定尺寸的裂纹或缺陷，这种存在裂纹类缺陷的非连续致密构件的服役使用的安全性、可靠性和服役寿命不能简单地使用常规的拉伸强度与塑性来测算。其服役的安全性、可靠性和寿命需要结合裂纹在应力环境下的失稳扩展情况来计算，即结构材料的抗裂纹失稳扩展能力越好，服役越可靠与安全，发展出了结构材料断裂韧性（KIC）理念与相对于的飞机破损- 安全设计概念。美国在新一代的飞机设计中充分利用了破损- 安全设计概念和损伤容限设计准则，以大幅度提高飞机机体服役的可靠性和寿命。

F-15战斗机是美国麦克唐纳· 道格拉斯公司为美国空军研制生产的双引擎、全天候、高机动性空中优势重型战斗机，该飞机于1972年7月首次试飞，1974年开始量产并交付美国空军使用，后期进行了多型改进设计，其中最为著名的就是F-15E。该机长19.43m、机高5.68m、翼展13.03m、空重12700kg，最大起飞重量30845kg。麦克唐纳飞机公司在最初设计时认为，为了使设计达到爬升速度快、加速时间短、起降距离短、着陆地速度缓、耐热环境及耐腐蚀等指标要求，必须在结构选材上进行大胆创新，即大量选用轻质高强耐腐蚀的钛合金材料替代F-4 飞机大量使用的结构钢，F-15战斗机中钛合金材料占整个结构重量的26.1%。

F-15 战斗机机身为全金属半硬壳式结构，分为3段：前段包括雷达罩、座舱、电子设备舱等，主要结构材料为铝合金；中段与机翼相连，前3 个框为铝合金结构、后3 个框为钛合金结构，材料为Ti-6Al-4V 钛合金，占中机身结构重量的20.4% ；后段主要是发动机舱和连接垂直安定面、水平尾翼的承载尾梁，采用全钛合金结构设计，包括隔框、珩条、减速板以及蒙皮等。F-15 战斗机机翼结构为多梁抗扭盒型破损安全结构，机翼前梁为铝合金材料制造，其后的3 个翼梁采用钛合金材料制造，机翼内侧整体油箱的下蒙皮为钛合金材料，其余为铝合金中厚板整体加工而成的蒙皮壁板。F-15 战斗机垂直安定面和水平尾翼的抗扭盒均采用钛合金材料制造。霍尼韦尔公司为其配套的刹车系统同样为了减重使用钛合金材料制造的扭力筒及碳刹车盘，扭力筒早期使用Ti-6Al-4V 钛合金铸件，后期改为Ti-15-3 钛合金铸件。

F-15 战斗机上钛合金结构件毛坯的供应形式主要以锻件为主。据统计，该机使用锻件共计500 多项，其中钛合金为108 项，包括机翼内侧的3 个翼梁、尾翼大梁以及主要的承力框都是采用Ti-6Al-4V 整体锻件，特别是承力框的宽度达到了3m，为特大型钛合金锻件；一些腹板较薄的钛合金件还采用当时先进的等温锻造工艺。同时，为了节省制造费用，部分钛合金结构件毛坯采用近净成型的粉末冶金（+ 热等静压工艺）件，如Ti-6Al-4V 钛合金制造的机翼大梁龙骨连接板，较锻件降低成本50%。在装配方面，采用了大量Ti-6Al-4V 钛合金紧固件。总体来说，F-15 战斗机使用的主要钛合金材料包括Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-3Al-2.5V 等钛合金，其大型结构件、耐疲劳壁板件、连接紧固件基本都采用Ti-6Al-4V 钛合金制造，小型结构件、耐疲劳性能不高的壁板件采用Ti-6Al-6V-2Sn 制造，液压、燃油管件基本采用Ti-3Al-2.5V 钛合金制造，复合材料蒙皮连接中大量使用的铆钉主要采用Ti-45Nb 钛合金制造。机翼用钛601.91kg、水平尾翼用钛132.44kg、垂直尾翼用钛65.77kg、机身用钛1152.57kg、起落架用钛43.09kg、发动机舱用钛32.65kg、进气道用钛62.59kg，全机用钛2091.06kg。