高度揭密碳纖維F-35戰(zhàn)斗機(jī)

美軍F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)

美國(guó)的F-35有“世界戰(zhàn)斗機(jī)”之稱。3年前，美軍的“通用低成本輕型戰(zhàn)斗機(jī)”和“聯(lián)合先進(jìn)攻擊技術(shù)”的新戰(zhàn)機(jī)理念在洛•馬－諾•格公司聯(lián)合研制的X-35上初現(xiàn)，美軍便選中它并命名為F-35聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）。它的研制費(fèi)用將達(dá)絕對(duì)空前的2000億美元，世界上還有8個(gè)國(guó)家參與合作，投入經(jīng)費(fèi)亦超過45億美元。預(yù)估市場(chǎng)有4000架需求意向，這令世界傳媒驚疑。

當(dāng)奧巴馬在今年年初時(shí)宣布美國(guó)國(guó)防部（DoD）財(cái)政計(jì)劃中將削減F-22戰(zhàn)斗機(jī)的投入，洛克希德馬丁航空公司位于德克薩斯州Fort Worth工廠的員工們，可謂喜憂參半。該工廠不但負(fù)責(zé)F-22戰(zhàn)斗機(jī)的總裝工作，而且還負(fù)責(zé)F-35閃電II型戰(zhàn)斗機(jī)的組裝工作。F-35確實(shí)應(yīng)該算得上是在國(guó)防部年度財(cái)政削減計(jì)劃中的幸存者。 copyright 123456

從預(yù)算角度看，國(guó)防部已經(jīng)體現(xiàn)出對(duì)F-35（聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF）的偏好。它的造價(jià)為8300萬美元左右，與F-22的1.43億美元的價(jià)格相比，還是較低廉的。F-35戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目不但與伙伴國(guó)共同擔(dān)負(fù)開發(fā)費(fèi)用，而且這些國(guó)家也是該戰(zhàn)機(jī)的大客戶。F-35戰(zhàn)斗機(jī)由美國(guó)等９個(gè)國(guó)家合作投資研發(fā)。８?jìng)€(gè)合作國(guó)為英國(guó)、意大利、荷蘭、土耳其、加拿大、澳大利亞、丹麥和挪威。按計(jì)劃，這８國(guó)將購買大約730架戰(zhàn)斗機(jī)。洛克希德馬丁公司計(jì)劃在2036年前，共交付3000架次的F-35型戰(zhàn)機(jī)。

與空對(duì)空F-22戰(zhàn)機(jī)不同，F(xiàn)-35是一種多用途戰(zhàn)機(jī)。將對(duì)空對(duì)地攻擊基于一身。因此美國(guó)飛行員不得不掌握更為先進(jìn)的駕駛技術(shù)。F-35有三個(gè)不同的版本：F-35A常規(guī)起降型（CTOL）、F-35B短距起飛垂直降落型(STOVL)以及F-35C艦載型(CV)。這款多用途戰(zhàn)機(jī)的強(qiáng)大攻擊力足以取代美軍中的F-16, A-10, AV-8B 和F-18戰(zhàn)機(jī)，以及英軍中的the Sea Harrier和GR.7戰(zhàn)機(jī)。F-35的出現(xiàn)，能夠使美軍目前的F-22和F-18E/F船隊(duì)得到有效補(bǔ)充。而從制造業(yè)角度來說，F(xiàn)-35三種版本，其中至少有20%在設(shè)計(jì)上是相同的。由此降低了項(xiàng)目設(shè)計(jì)成本。 本文來自123

歷時(shí)十多年的發(fā)展

洛克希德馬丁公司在2001年10月項(xiàng)目中標(biāo)，是F-35戰(zhàn)機(jī)的主要承包商。諾斯羅普格魯門公司和BAE系統(tǒng)公司是該項(xiàng)目的主要合作伙伴。這三家公司超過通過了12年的系統(tǒng)研發(fā)及驗(yàn)證（SDD）階段，該階段包括生產(chǎn)19架戰(zhàn)斗機(jī)并完成全部相關(guān)測(cè)試工作。復(fù)合材料在F-35的研發(fā)和生產(chǎn)過程中始終扮演重要的角色。諾斯羅普格魯門公司在加州的Palmdale工廠完成中部機(jī)身的生產(chǎn)；BAE系統(tǒng)公司在其英國(guó)Samlesbury工廠生產(chǎn)后部機(jī)身；猶他州的ATK公司生產(chǎn)機(jī)翼蒙皮；洛克希德馬丁公司負(fù)責(zé)前部機(jī)身的生產(chǎn)并在其Fort Worth工廠完成F-35總裝工作。F-35的首飛已被一推再推。主要的原因有設(shè)計(jì)的重量超重問題，但更頭痛的是經(jīng)費(fèi)的制約。據(jù)美國(guó)《每日航宇》報(bào)道，美國(guó)會(huì)撥款委員會(huì)從2004財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)中削減了天基雷達(dá)、先進(jìn)寬帶系統(tǒng)、導(dǎo)彈防御和F-35戰(zhàn)斗機(jī)等計(jì)劃的部分經(jīng)費(fèi)。洛克希德馬丁公司無奈宣布：新一代F-35戰(zhàn)斗機(jī)的首飛時(shí)間從2005年秋天推遲到2006年8月。 幾經(jīng)波折，首架F-35戰(zhàn)機(jī)于2006年12月15日第一次飛上藍(lán)天。 copyright 123456


F-35各部件圖解


三款F-35參數(shù)對(duì)比

對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)制造商來說，最大的挑戰(zhàn)莫過于利潤(rùn)問題。因此，必須在飛機(jī)的每個(gè)部件，哪怕極小的一個(gè)零部件，也要盡量做到成本優(yōu)化。也許正是碳纖維復(fù)合材料成就了F-35戰(zhàn)機(jī)：超過35%機(jī)身結(jié)構(gòu)件和機(jī)體表面都使用了碳纖維復(fù)合材料。機(jī)身、機(jī)翼和尾翼來自不同的供貨商，對(duì)于洛克希德公司來說，他們面臨的最大挑戰(zhàn)就如何有效控制機(jī)身復(fù)合材料蒙皮的厚度。

F-35需要減少910公斤。當(dāng)F-35正在為重量問題撓頭的時(shí)候，又有一個(gè)不妙的消息傳來：美國(guó)國(guó)防部將開始審評(píng)美海軍提出的有關(guān)減少JSF采購量的議案。美海軍在提案中表示，為了增加艦船的采購量，希望將原計(jì)劃采購的JSF數(shù)量從1089架減少至780架，其中原計(jì)劃采購609架短距起飛;垂直降落(STOVL)型，現(xiàn)改為采購350架；原計(jì)劃采購480架艦載(CV)型，現(xiàn)改為430架。

自然，如此大量地減少F-35的采購量將導(dǎo)致它的成本上漲。根據(jù)原來預(yù)算，空軍需求的常規(guī)起降(CTOL)型單機(jī)價(jià)格約為2800萬美元，海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)需求的STOVL型單機(jī)價(jià)格約為3500萬美元，艦載型單機(jī)價(jià)格約為3800萬美元。假如美國(guó)國(guó)防部同意海軍的提議，則F-35的單機(jī)價(jià)格還會(huì)有不同程度的提高。這不僅將使國(guó)際合作伙伴遭受打擊，同時(shí)也將因價(jià)高難求使其未來市場(chǎng)前景面臨尷尬。

洛克希德馬丁公司的技術(shù)代表兼JSF生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)主管Don Kinard表示，公司內(nèi)部相關(guān)技術(shù)人員當(dāng)初花了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，來評(píng)估可用來生產(chǎn)飛機(jī)框架和蒙皮的各種不同的原材料：復(fù)合材料，鋁，鈦，鋼。不但要兼顧性能方面，同時(shí)還要考慮成本投入。

“那么，我們能不能造一架全部由復(fù)合材料打造的戰(zhàn)機(jī)呢？”“當(dāng)然可以。但是，任何事情，不是僅僅因?yàn)槲覀兡軌蜣k到，就一定要做的。我們?cè)谶M(jìn)行任何一個(gè)項(xiàng)目的時(shí)候，都要考慮成本效益。我們要評(píng)估，在機(jī)身的哪個(gè)部位使用復(fù)合材料，能夠最大化的發(fā)揮它的價(jià)值。” Kinard說。 123456


F-35正在等待安裝碳纖維增強(qiáng)機(jī)身蒙皮


F-35德國(guó)加工工廠自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)需對(duì)前部機(jī)身1500個(gè)孔

在F-35的SDD階段，機(jī)身各部分生產(chǎn)工作有所不同，主要取決于供貨商對(duì)零件復(fù)雜性和成本效益的考慮。例如，ATK公司，采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)（AFP）生產(chǎn)大部分復(fù)合材料機(jī)翼部件。洛克希德公司內(nèi)部采用手糊工藝生產(chǎn)前部機(jī)身蒙皮。隨著F-35進(jìn)入投產(chǎn)階段，還會(huì)有更多的美國(guó)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的航空業(yè)供貨商加入到復(fù)合材料部件的生產(chǎn)中來，包括：意大利阿萊尼亞航空公司，挪威的康斯堡防務(wù)系統(tǒng)公司，丹麥的Terma A/S公司，土耳其的TAI公司，等等。Kinard說，“我們幾乎把全世界生產(chǎn)復(fù)合材料的先進(jìn)公司整合到了一起。”

Kinard表示，他和洛克希德公司其他技術(shù)人員始終把F-35機(jī)身復(fù)材蒙皮厚度作為關(guān)注的重點(diǎn)。蒙皮厚度的一致性對(duì)于F-35的重量、性能和制造成本方面起關(guān)鍵作用。洛克希德馬丁公司和他的合作伙伴希望通過兩種方式，使蒙皮厚度達(dá)到期望標(biāo)準(zhǔn)，避免超重的問題：考慮通過改變隔框間距與蒙皮厚度之間的比率降低飛機(jī)總重量，達(dá)到減輕2000磅（908千克），即約為總重30000磅（13620千克）的8%的目標(biāo)。公司還在內(nèi)部系統(tǒng)尋找降低重量的可能，擬將機(jī)體結(jié)構(gòu)、線路和導(dǎo)管減重達(dá)1800磅（817千克），而另外200磅（91千克）將從任務(wù)系統(tǒng)和運(yùn)載系統(tǒng)中做文章。 123,123

洛克希德公司的Fort Worth工廠在整個(gè)F-35生產(chǎn)中起關(guān)鍵性作用。“對(duì)于整個(gè)裝配工作來說，修整和加工任務(wù)是龐大的。” Kinard說。同樣，來自生產(chǎn)技術(shù)小組的工程師在項(xiàng)目實(shí)施過程中的作用也是不可替代的：他們要根據(jù)相應(yīng)的需求開發(fā)出不同的應(yīng)用和加工程序。


控制蒙皮厚度，通過基于仔細(xì)測(cè)量的增加減少復(fù)合材料鋪層，有時(shí)候需要機(jī)加工

JSF航空電子系統(tǒng)雖沒有引發(fā)問題，但軟件開發(fā)仍是潛在的關(guān)注問題。F-35型機(jī)上有大約600萬個(gè)代碼節(jié)點(diǎn),飛行模擬器上也有600萬個(gè),加上交聯(lián)系統(tǒng)上的約300萬個(gè),總共1500萬個(gè)，這些代碼節(jié)點(diǎn)中有些是從F/A-22計(jì)劃中重復(fù)使用，鑒于F/A-22計(jì)劃產(chǎn)生令人困擾的航空電子問題，F(xiàn)-35開發(fā)商還是要在軟件開發(fā)方面處處小心，謹(jǐn)慎從事。休德遜稱，航空電子對(duì)飛機(jī)而言相當(dāng)關(guān)鍵，從某種意義上說，軟件是航空電子中一個(gè)極其復(fù)雜的裝置，一架飛機(jī)需要傳感器，才能投入戰(zhàn)斗。

一旦復(fù)合材料機(jī)身蒙皮完工，技術(shù)人員將完成機(jī)身結(jié)構(gòu)配件部分。安裝工作是在在機(jī)身蒙皮預(yù)先測(cè)定的位置上鉆孔并安裝上緊固件。如何采取正確的方式鉆孔并安裝緊固件成為了F-35重要的問題。


鉆石涂層的碳陶瓷鉆頭

F-35生產(chǎn)小組在制造過程中使用了全數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)，這有可能永久的改變飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的工作方式。洛克希德•馬丁公司項(xiàng)目發(fā)言人稱，JSF是第一架從一開始就完全實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)的飛機(jī)。JSF制造商在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用方面創(chuàng)造了新的先例。完全數(shù)字化的方法在節(jié)省時(shí)間和成本方面產(chǎn)生了巨大效果。JSF的“數(shù)字化三維實(shí)體設(shè)計(jì)”意味著世界上參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的所有設(shè)計(jì)人員都有權(quán)進(jìn)入設(shè)計(jì)網(wǎng)頁，虛擬飛機(jī)可以用數(shù)字進(jìn)行操縱，因而使制造商避免了在制造物理樣機(jī)時(shí)的返工和昂貴的制造成本。JSF工作小組具有一個(gè)環(huán)球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照允許的級(jí)別進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計(jì)網(wǎng)頁，無論是意大利、挪威、加利福尼亞還是得克薩斯州的工程師和供應(yīng)商都能進(jìn)入這個(gè)數(shù)據(jù)庫。設(shè)計(jì)和修改數(shù)據(jù)可以即時(shí)傳送，效率和準(zhǔn)確率大大提高。還可以應(yīng)用數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品加工并能夠獲得精確的尺寸，如高精密鉆孔，通過取消分解制造零件的步驟減少了工藝程序，確保了加工的準(zhǔn)確性。它所節(jié)省的時(shí)間和金錢是不可想象的。

“在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的生產(chǎn)上，我們?cè)诜夂险麄€(gè)結(jié)構(gòu)之前就開始向其中裝填內(nèi)容，” Kinard說。如果飛機(jī)內(nèi)部的系統(tǒng)需要進(jìn)行一些調(diào)整的話，這樣做可以降低子結(jié)構(gòu)或者是附屬結(jié)構(gòu)（例如飛機(jī)的艙門或者是面板等）受到損壞的風(fēng)險(xiǎn)。


AMAMCO’專用鉆孔工具為F-35機(jī)翼蒙皮鉆孔

這一新的飛機(jī)制造方法同時(shí)也意味著更多的自動(dòng)化技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用到這一生產(chǎn)線當(dāng)中來。洛克希德公司負(fù)責(zé)建造飛機(jī)的前部機(jī)身和機(jī)翼部分，這些部分是最大也是最為復(fù)雜的部分。工人們正在使用機(jī)器人制造機(jī)翼。機(jī)翼被垂直豎立起來，周圍是一些能夠上下移動(dòng)的支架。“以前我們從未嘗試過把機(jī)翼豎立起來進(jìn)行工作。

自動(dòng)鉆孔技術(shù)的使用使工人們?cè)谥圃祜w機(jī)的時(shí)候不用再花費(fèi)幾天的時(shí)間靠手工來鉆孔。機(jī)翼上通常有幾百個(gè)孔，制造一架聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)需要鉆3000多個(gè)孔?，F(xiàn)在這些工作只需要一個(gè)過程就能夠完成了。 123,123

另外一項(xiàng)技術(shù)革新是公司的一名工程師提出的使用自動(dòng)化技術(shù)來進(jìn)行扣釘?shù)陌惭b。工人使用一個(gè)激光裝置可以實(shí)現(xiàn)扣釘與相應(yīng)鉆孔的正確匹配，而用不著使用人工手段把這一信息從他們的設(shè)計(jì)說明書上轉(zhuǎn)移過來。這是一項(xiàng)非常大的改進(jìn)。