通用動力公司的全科莫斯特外部油箱插圖：Karl Reque

通用動力公司的480加侖/1817升油箱設計符合美國海軍對航母生存能力的要求。

一架F/A-18F“超級大黃蜂”被分配到第22攻擊戰斗機中隊（VFA），就在降落在卡爾文森號航空母艦之前。其外部油箱通過吊掛連接到飛機的炸彈架上。吊掛連接在加固的吊耳井處（見上圖）。

設計成果：

• S-2玻璃內襯浸漬了專有的環氧樹脂，與纖維纏繞工藝兼容，能夠抵抗連續暴露在噴氣燃料中。
• 由聚氨酯泡沫填充的凱夫拉制成的蜂窩芯增加了航母生存能力要求所需的結構剛度。
• 油箱的碳纖維/環氧纖維纏繞“箱梁”通過外殼中的凸耳井為噴氣式飛機提供內部結構支撐和連接點。

當美國海軍和空軍在20世紀60年代委托開發第一個外部油箱以擴大其戰斗機的任務范圍時，鋼、鋁和其他金屬仍然是首選材料。麥克唐納·道格拉斯公司（現為波音公司（伊利諾伊州芝加哥市）的一部分）使用的第一個外部油箱都是金屬的。其中包括F-4幻影上使用的600加侖/2271L坦克和A-4天鷹上使用的300加侖/1136L坦克。

不幸的是，一場災難讓設計師意識到復合材料的潛在優勢。1967年7月，美國航空母艦福里斯特爾號（CV 59）在越南海岸外部署，當時另一架戰斗機無意中發射的導彈擊中了停在飛行甲板上的A-4噴氣式飛機。A-4的外部油箱破裂，燃料和火勢蔓延到甲板上。大火迅速吞噬了其他飛機，在大火撲滅之前，100多名海員在美國軍事史上最嚴重的事故之一中喪生。

在悲劇發生后，海軍委托一個小組調查并建議在航母甲板發生火災時提高生存能力的方法。除其他外，調查揭示了所有金屬外罐的不可靠性，特別是在與硬表面碰撞時的彈道刺穿和破裂方面。隨后，海軍對航母環境提出了更嚴格的生存能力和性能要求。其中包括一系列測試，以確認油箱有能力滿足生存能力和飛行載荷標準。其中幾項測試非常嚴格，包括將滿載的油箱彈射到堅硬的表面上、彈丸撞擊和抗篝火。所有這些測試都要求油箱保持規定的結構完整性，以盡量減少損壞和火災蔓延的可能性。

在70年代中期，通用動力武器和技術產品公司（GDATP，林肯，內布拉斯加州）與麥道公司合作設計了一個符合這些標準的外部油箱。

混合動力設計使早期油箱成為可能

到本世紀末，這兩家公司已經為F/a-18大黃蜂戰斗機建造了一種混合材料/金屬油箱。決定采用混合動力結構，而不是全復合材料油箱，主要是基于這樣一個事實，即當時一種耐噴氣燃料的樹脂系統尚未經過測試和鑒定。

該儲罐由鋁制內襯組成，外覆三明治結構。三明治的內層和外層是通過使用S-玻璃/環氧樹脂紗線進行纖維纏繞鋪設的。核心是由Kevlar芳綸制成的聚氨酯泡沫填充蜂窩，由現在的杜邦保護技術公司（弗吉尼亞州里士滿）開發，以及S玻璃纖維紗的纖維纏繞外殼。麥道公司提供鋁罐，GDATP制造外殼和核心。這些儲罐有兩種尺寸：一種是330加侖/1250升的圓柱形儲罐，另一種是315加侖/1192升的橢圓形儲罐。盡管GDATP在20世紀80年代停止生產這些油箱，但以色列Elbit Systems的子公司Cyclone有限公司（Karmiel，以色列）仍然根據最初的設計生產這種混合油箱的版本。

混合設計使早期油箱成為可能

到本世紀末，這兩家公司已經為F/A-18大黃蜂戰斗機建造了一種混合材料/金屬油箱。決定采用混合結構，而不是全復合材料油箱，主要是基于這樣一個事實，即當時一種耐噴氣燃料的樹脂系統尚未經過測試和鑒定。

該儲罐由鋁制內襯組成，外覆三明治結構。三明治的內層和外層是通過使用S-玻璃/環氧樹脂紗線進行纖維纏繞鋪設的。核心是由Kevlar芳綸制成的聚氨酯泡沫填充蜂窩，由現在的杜邦保護技術公司（弗吉尼亞州里士滿）開發，以及S玻璃纖維紗的纖維纏繞外殼。麥道公司提供鋁罐，GDATP制造外殼和核心。這些儲罐有兩種尺寸：一種是330加侖/1250升的圓柱形儲罐，另一種是315加侖/1192升的橢圓形儲罐。盡管GDATP在20世紀80年代停止生產這些油箱，但以色列Elbit Systems的子公司Cyclone有限公司（Karmiel，以色列）仍然根據最初的設計生產這種混合油箱的版本。

混合動力設計使早期油箱成為可能

到本世紀末，這兩家公司已經為F/a-18大黃蜂戰斗機建造了一種混合材料/金屬油箱。決定采用混合動力結構，而不是全復合材料油箱，主要是基于這樣一個事實，即當時一種耐噴氣燃料的樹脂系統尚未經過測試和鑒定。

模擬汽車突破

當時，航空航天工程師從汽車行業中汲取靈感，在那里，第一個全塑料氣罐被引入了高密度聚乙烯（HDPE）。然而，GDATP業務發展高級經理里克·拉希拉Rick Rashilla表示噴氣式油箱：“除了與長期接觸噴氣燃料相容，HDPE不能用于容外，樹脂還必須與制造工藝相容。”HDPE則不然。它也沒有達到體重目標。而且，它在與蜂窩芯的良好結合方面存在問題。GDATP面臨著更嚴格的生存能力要求（起飛、飛行和著陸載荷），以及與內側汽車油箱相比，外側油箱的沖擊風險更大。因此，工程師們面臨著一項艱巨的挑戰，即找到一種樹脂，其硬度足以承受與噴氣燃料的持續接觸，并能夠承受惡劣的操作條件，同時滿足重量和可制造性要求。

經過大約一年的測試，GDATP開發了一種符合所有要求的環氧樹脂系統。拉希拉說：“我們成功的訣竅是找到一種多部分、高伸長率的環氧樹脂系統，這將使我們能夠制造一種玻璃纖維、纖維纏繞的內襯，作為燃料滲透屏障。”。選擇S玻璃作為襯里是因為“它以比碳纖維更低的成本提供了足夠的結構支撐。”

第一個全復合油箱的核心在基本設計上與之前的混合油箱的核心相似——一個由芳綸制成的泡沫填充蜂窩核心。然而，外殼由Hexcel Corp.（康涅狄格州斯坦福德）供應的纖維纏繞HexTow AS4 PAN基碳纖維和Owens Corning（俄亥俄州托萊多）和美國空軍共同開發的S-2 Glass混合層組成。1998年，S-2玻璃成為Owens Corning和Groupe Porcher Industries（法國Le Grand Lemps）獨立合資企業Advanced Glassfiber Yarns（現稱AGY LLC（南卡羅來納州Aiken））的商標產品。

由于襯里的環氧樹脂主要是為了滿足耐燃油標準而開發的，GDATP配制了一種不同等級的環氧樹脂，更適合外殼的主要結構功能。該油箱還設計了檢修門和額外的織物層，用于加固吊耳井（圓柱形、套筒襯里接頭）周圍的區域，這些吊耳井為飛機炸彈架上的吊掛提供了連接點。

到20世紀80年代末，F/A-18的所有480加侖/1817升復合外部油箱都已投入生產。第一個客戶是加拿大皇家空軍，在其CF/A-18機隊上使用了這些油箱。GDATP后來為美國陸軍的UH-60黑鷹和AH-64阿帕奇直升機制造了（但沒有設計）230加侖/871L版本的油箱。全復合油箱比混合油箱輕約30%。內襯濕纏繞在鋼心軸上。將浸漬環氧樹脂的S玻璃纏繞成0.075英寸/1.9毫米的層厚。然后將0.375英寸/9.53毫米的泡沫填充芳綸芯層附著在內襯上，并在烤箱中將兩層一起固化。固化后，將內殼/芯沿圓周切成兩半，并從心軸上拆下。由兩個玻璃纖維臂或框架和碳纖維/環氧纖維纏繞的“加強背-strongback”形成的方形箱梁安裝在油箱內，以提供內部結構支撐和外部連接點（見圖，右上角）。堅固背的頂部設計有與內殼相同的半徑，并與殼體內齊平。在堅固背頂部形成的圓形凸耳井用作飛機吊掛的接收接頭，以及燃料、空氣和電線的導管。這兩個部分用粘合劑重新連接，然后將0.075英寸/1.9毫米厚的環氧涂層S玻璃和碳纖維層纏繞在內襯和芯上，形成外殼。將整個組件放入烤箱中，以促進外殼的固化。

全復合材料的設計引起了美國海軍的興趣，美國海軍仍然使用混合動力油箱。其設計符合一般航母的生存能力要求，但GDATP被要求使其符合艦載F/A-18在彈射器輔助起飛和著陸時尾鉤制動的極端載荷要求。為了補償這些負載，GDATP在某些區域添加了復合材料，例如耳井連接點。這使得在20世紀90年代初，為航空母艦噴氣式飛機認證了一個類似的480加侖/1817升外部油箱。

GDATP目前為其油箱提供服務和庫存零件，但不再生產。然而，通用電氣也生產類似的油箱。

項目就緒設計能力

GDATP的建模和仿真軟件建立在ANSYS（賓夕法尼亞州卡農斯堡）的商業軟件平臺上。但拉希拉說，它已經過定制，使其能夠模擬載荷和應力對罐內設計參數迭代的影響，包括不同的纖維、厚度和方向。他補充道，借助特殊的編程功能，可以快速進行建模。“在金屬或疊層制造方法中，材料通常是眾所周知的，工程師可以在手冊中查找6061 P6鋁的材料特性。”但Rashilla解釋說，由于GDATP是用基礎纖維和專有樹脂配制自己的材料，因此該公司必須通過測試確定這些材料的A和B基允許值。簡單來說，A基和B基容許值是指可以賦予給定測試數據集的統計確定性。客戶決定特定應用中使用的材料是必須滿足A基要求，這需要更廣泛的測試數據，還是不太嚴格的B基要求。

拉希拉表示，鑒于這種準備狀態，GDATP下一個主要的全復合材料外部燃料箱設計/制造機會可能是F-35閃電II。他預計在某個時候會為新飛機建造一個外部油箱，但有報道稱資金尚未獲得批準。拉希拉說：“F-35艦載機變體中使用的油箱的生存能力要求基本相同。”。“我們希望能夠將我們在F/A-18油箱設計中吸取的經驗教訓應用于該項目。”

原文見《Carrier-capable, all-composite external fuel tank》 2011.5.2

楊超凡 2024.10.5