2022年11月8日，第十四屆中國航展在珠海開幕。伴隨著發動機的轟鳴聲，4架殲-20組成鑽石編隊從低空掠過。單機表演中，殲-20在一分鐘的時間裏連續完成“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作，接下來的“筒滾”“橫滾”更是引得觀眾讚嘆不已。
所謂“外行看熱鬧、內行看門道”。“筒滾”“橫滾”對于殲-20只是“牛刀小試”，真正讓海內外航空專家們大為驚嘆的，卻是看似不起眼的“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作。戰鬥機在高速飛行中完成這樣的動作，不僅需要優異的氣動設計與飛行姿態控制能力，更重要的是有一副“鋼筋鐵骨”——戰鬥機在進行大過載機動時，機身結構通常要承受9倍重力加速度；飛機設計時一般還要在此基礎上再留出約50%的冗余。這意味著殲-20在做“小半徑急轉”“旱地拔蔥”等動作時，機身結構需要承受數百噸品質所産生的作用力。
殲-20一身“鋼筋鐵骨”，關鍵在于其“強硬”的機身結構材料。機身結構材料，顧名思義就是承受戰鬥機在飛行過程中氣動力、維持氣動外形的結構材料。性能優異的機身結構材料是一架優秀戰機不可或缺的部分，更是戰機決勝空天的“硬脊梁”。
“一代材料，一代戰機”
從萊特兄弟發明飛機至今，航空工業已經走過了百余年時光。在這個過程中，材料和飛機在相互推動下不斷發展。所謂“一代材料，一代戰機”，正是世界軍事航空發展史的真實寫照。
總體來説，戰機機身結構材料的發展經歷了四個階段：
第一階段從1903年至1910年。這個時期，飛機結構材料主要以木-布為主。木頭構築起飛機的機身框架，帆布為飛機提供氣動外形。木頭作為結構材料，憑借著超輕的品質和較低的密度，獲得了長久的生命力。直至第二次世界大戰時期，木頭仍被應用于部分戰機上。其典型代表就是英國的“德·哈維蘭-蚊式戰鬥轟炸機”。這款戰機擁有“木頭奇跡”的美譽，身輕如燕、性能優良，是英國皇家空軍中一種頗具特色的機型。
第二階段從1910年到1949年。這一階段的機身材料以鋼-鋁為主。高強度的鋼常被用作主承力的機身框架結構，鋁合金則被用于機身蒙皮。以鋼-鋁材料制作的飛機機身，其強度、結構剛度以及抗彈能力都較木-布結構有了質的飛躍。二戰中，主力戰機機型例如美軍的P51野馬、F6F地獄貓以及英國的噴火式、德國的梅塞施密特Bf-109戰鬥機無一例外都採用了鋼-鋁結構。
第三階段是從1950年到1979年。這個時期的機身材料以鋼、鋁、鈦為主。在耐高溫方面，美國與蘇聯走了兩條截然不同的路線。美國走的是“高端路線”——鈦合金。鈦合金密度低，以鈦合金制成的飛機結構品質較輕，然而其原材料價格偏高，不易加工。典型代表是美國設計的一款高空高速偵察機SR-71黑鳥，飛行速度可達3.35馬赫。蘇聯則選擇了“平民路線”——不銹鋼。相比之下，不銹鋼原材料易得、易加工，成本低廉。典型代表是蘇制的米格-25，其機身80%的結構採用不銹鋼制作，最大飛行速度達到2.8馬赫。值得一提的是，設計米格-25的初衷是為了攔截SR-71。然而，由于其笨重的不銹鋼機身，歷史上SR-71曾多次襲擾蘇聯領空，卻從未被成功攔截。
第四階段是從20世紀80年代至今。材料學家經過長期探索，在已知的單質材料中，已找不到密度低于鋁合金、強度高于不銹鋼，且耐熱溫度接近鈦合金水準的材料了。隨著高性能耐熱聚合物基體被合成，輕質、高強的碳纖維開始大規模生産，先進復合材料開始進入材料學家的視野。先進復合材料低密度，性能可設計、易成型。同等結構強度下，採用復合材料制作的機身較鈦、鋁、鋼都能大幅度減重。現在美國第四代戰機F-22、F-35等的復合材料用量高達24％和30％，俄羅斯最新五代機的復合材料用量也達到了15%。復合材料在先進戰機上的大規模應用，標誌著現代戰機從“鋁為主，鈦、鋼結構並存”的時代邁向“復合材料為主，鋁、鈦、鋼結構共存”的新時代。
幾經更疊，追求始終如一
從天然材料到金屬材料，再到復合材料，幾經更疊，機身結構材料的追求始終如一——“其堅如鋼，其重如翎”。
其堅如鋼，是指具有優異的強度與剛度。更高的材料強度可以賦予機身更優異的抗擊打性能和更高的抗過載能力。優異的材料剛度則為機身結構帶來更強的抵禦變形能力。戰機在高速飛行過程中，時刻承受氣動載荷。如果抵禦氣動力變形的能力不夠，輕則降低飛機的氣動效率，重則會引發不可逆的變形進而導致機毀人亡。
其重如翎，就是指機身材料要具有較低的密度。戰機的品質是影響綜合性能的主要指標。過大的品質不僅會降低飛行速度、影響空中機動能力，還會縮短航程。機身結構材料在戰鬥機的品質中佔比通常超過40%。因此，在結構材料上減重是增加戰鬥機綜合性能的有效手段。
縱觀結構材料的發展歷史，做到“其堅如鋼”的材料不少，能實現“其重如翎”的也很多，但同時兼具兩種性能的結構材料屈指可數。為了便于比較材料“輕質高強”的能力，材料學家發明瞭“比強度”和“比模量”的概念。比強度是用材料的強度除以材料表現密度。同體積的材料，比強度越高，抗破壞的能力越強。比模量是用材料的彎曲度除以密度。同體積的材料，比模量越高抗變形的能力越強。
從木材到鈦合金，機身結構材料經歷數十年的發展，其比強度與比模量並未發生質的飛躍。直到復合材料、特別是碳纖維復合材料的出現，機身結構材料水準又上升到一個新高度。碳纖維復合材料的比強度是鈦合金的3倍-5倍，比模量是鋼材的2倍-3倍。這意味著，同等性能下，機身結構採用碳纖維復合材料相較于鈦合金或鋼材減重達到50%-80%。復合材料的耐熱性能雖不及鋼和鈦合金，但部分型號也能達到300℃。此外，復合材料還兼具優異的加工性能與良好的耐腐蝕、耐候性能。最為重要的一點是，復合材料具有良好的性能可設計性。通過更換樹脂與增強纖維的種類，以及添加不同的功能填料，可獲得不同性能特性組合的復合材料。這種性能可設計性賦予了其“結構-功能一體化”的特性。這樣一來，復合材料不僅可以具備承載性能，更兼具透波、吸波、隱身等功能特性。
當然，比強度和比模量並非材料學家選取機身結構材料的“唯二”標準。以鋼材為例，鋼材的比強度、比模量相較于鋁合金、鈦合金並沒有優勢。但其絕對強度較高，在對絕對強度與剛度以及服役溫度要求較高的部位，諸如飛機防護係統、起落架、主承力框架、高溫駐點等仍是無可替代的關鍵材料。直到今天，先進戰機上仍有鋼材的身影。
新挑戰，也是新機遇
隨著現代戰爭作戰樣式不斷豐富，科技密集程度不斷提高，戰機也在不斷更新換代。目前最為先進的第五代戰機，不僅需要擁有傑出的機動性、超強的隱真示偽能力，還需要具備多樣式作戰的可整合性。這些功能要求給機身結構材料研究帶來新的挑戰，同時也為戰機綜合性能提升帶來新的機遇。
復合材料是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類理化性質不同的材料，通過復合工藝組合而成的新型材料。它既保留原組成材料的重要特色，又通過復合效應獲得原來不具備的性能。
面對新的戰爭需求，復合材料需要不斷“通關升級”，習得更多“武林絕學”。
例如，“身如金剛，水火不侵”。戰機在高速飛行時，由于與空氣的劇烈摩擦，會面臨嚴峻的氣動加熱問題。過高的溫度會大大增加復合材料的失效風險，為戰機飛行帶來安全隱患。因此，需要對機身材料進行耐高溫設計，比如採用陶瓷耐高溫涂層、氣凝膠隔熱層以及優化復合材料體係等。
再比如説，“來去無影，以假亂真”。目前，紅外隱身已經是很多知名尖端戰機的“標配”。新一代戰機已經不再滿足于單一的紅外隱身效果，它試圖通過對戰機的電磁信號進行偽裝，實現以假亂真，迷惑敵人的目的。這可以通過超結構設計或引入功能增強材料來實現。
高性能復合材料雖然是新一代戰機機身的不二選擇，但想要培養這樣一名“武林高手”，還需要經過復雜工藝、花費大量的時間和物質成本。以美國隱身戰略轟炸機——B2轟炸機為例。它從1997年服役以來，一共只生産了21架，每架造價高達24億美元，每次飛行任務結束後的維護費用高達千萬美元。“造得起，用不起；用得起，養不起”，也是限制尖端戰機發展的重要問題。因此，簡化機身復合材料的制備工藝，優化制備流程，提高效費比也是當前急需解決的關鍵問題。
