王建軍，朱 歡

（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000）

0 引言

提高飛機(jī)性能，降低成本是飛機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。用少量而性能高的飛機(jī)去面對(duì)未來(lái)的沖突，在敵方飛機(jī)數(shù)目占優(yōu)勢(shì)的情況下，每一架飛機(jī)的作戰(zhàn)能力是確定戰(zhàn)局的決定性因素。設(shè)計(jì)一種新型飛機(jī)最為重要的是面對(duì)威脅能夠生存。

在過(guò)去30多年，飛機(jī)一體化設(shè)計(jì)的能力已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從飛機(jī)設(shè)計(jì)方案到各系統(tǒng)說(shuō)明書中已有了防止多種威脅的設(shè)計(jì)。在美軍V-22和A-6飛機(jī)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了具有戰(zhàn)斗損傷容限的復(fù)合機(jī)翼蒙皮的概念[1]，采用了軟蒙皮和加強(qiáng)整體的方法。但是，對(duì)于現(xiàn)有的飛機(jī)設(shè)計(jì)，尚需進(jìn)一步提高它們的生存力。未來(lái)的戰(zhàn)斗場(chǎng)面將是在緊張的戰(zhàn)斗和艱苦的支持條件下設(shè)備的連續(xù)使用。隨著飛機(jī)生存力的提高，會(huì)有更多的飛機(jī)帶著嚴(yán)重的損傷從戰(zhàn)場(chǎng)上歸來(lái)，可修理性將是一筆寶貴的財(cái)富。能否從提高生存能力中獲益，就要看受到損傷的飛機(jī)能否迅速地投入戰(zhàn)斗。而提高飛機(jī)受嚴(yán)重威脅的生存能力的設(shè)計(jì)往往是地面維修更為可行。

1 戰(zhàn)斗生存力的設(shè)計(jì)要求

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)可能是化學(xué)、生物、輻射和激烈的常規(guī)戰(zhàn)爭(zhēng)同時(shí)存在的戰(zhàn)爭(zhēng)，修理飛機(jī)可能在主要保障基地，也可能在臨時(shí)保障點(diǎn)，甚至在敵方領(lǐng)地的前行保障點(diǎn)進(jìn)行特殊修理，在這種戰(zhàn)斗激烈和艱苦修理的條件下，保證飛機(jī)有效運(yùn)轉(zhuǎn)是未來(lái)設(shè)計(jì)的目的。美軍新武器系統(tǒng)被批準(zhǔn)投入生產(chǎn)以前，要求必須進(jìn)行實(shí)彈射擊測(cè)試以評(píng)判和設(shè)計(jì)要求是否相符。他們通過(guò)高速射流產(chǎn)生強(qiáng)烈動(dòng)態(tài)壓力的水力沖擊損傷方法，來(lái)判斷整個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和完整性。機(jī)翼中彈爆炸是戰(zhàn)場(chǎng)會(huì)遇到的一種典型威脅，如圖1所示。圖2表示剩余強(qiáng)度要求和沖擊后剩余強(qiáng)度和載荷之間關(guān)系曲線。從發(fā)展的眼光來(lái)看，未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)需滿足下面幾點(diǎn)要求[2]：①能承受30mm高能量炮彈的打擊能力；②能承受燃箱發(fā)生爆炸的能力；③遭到擊打時(shí)，具有4g過(guò)載的機(jī)動(dòng)性；④打擊后有一定的承載能力；⑤帶著全部外掛物安全返航著陸。

炮彈擊中油箱測(cè)試可在飛機(jī)的油箱裝滿水，以模擬油箱受損的情況，同時(shí)不會(huì)引起測(cè)試位置著火。設(shè)計(jì)新飛機(jī)，必須嚴(yán)格要求燃油消耗后不會(huì)生成有活性的物質(zhì)，具有滅火功能，減少著火和爆炸對(duì)飛機(jī)的損害。

把生存力要求引入到飛機(jī)的研制過(guò)程，需要研制測(cè)試和定性測(cè)試。建一個(gè)程序塊來(lái)研究復(fù)合機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種方法把設(shè)計(jì)師的想法和測(cè)試同設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合在一起。按照訂貨單相繼對(duì)零件、部件和設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。用每個(gè)測(cè)試得出的結(jié)論建立設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和以后更為復(fù)雜測(cè)試試樣的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)樣本的主要標(biāo)準(zhǔn)要確保高低和復(fù)雜程度適當(dāng)，試樣的故障模式要和實(shí)際設(shè)備一致。

圖1 飛機(jī)遭遇威脅場(chǎng)面

為了確保損傷飛機(jī)恢復(fù)正常狀態(tài)，修理標(biāo)準(zhǔn)和要求必須得到飛機(jī)接收單位的認(rèn)定。這樣做的好處是對(duì)于嚴(yán)重威脅戰(zhàn)斗損傷可以延緩修理的時(shí)機(jī)，或者在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下做簡(jiǎn)易修理。按上述要求所研制的機(jī)翼結(jié)構(gòu)受到損傷時(shí)不經(jīng)修理仍能懸掛一定重量的載荷，然而，即使受到再小的損傷，也會(huì)減少載油量，影響飛機(jī)的航空動(dòng)力學(xué)性能。因此，完全恢復(fù)飛機(jī)載油量和航空動(dòng)力學(xué)性能的快速修理思想，以及最終恢復(fù)飛機(jī)承載能力的戰(zhàn)傷修理，這些必須加強(qiáng)研究并確認(rèn)和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)外型相一致。

2 應(yīng)付嚴(yán)重威脅造成飛機(jī)損傷的設(shè)計(jì)

為了提高戰(zhàn)傷生存能力，設(shè)計(jì)時(shí)要求重視飛機(jī)戰(zhàn)斗損傷容限，并且要把這種思想貫徹到飛機(jī)設(shè)計(jì)的思想中去[3]。為了應(yīng)付嚴(yán)重威脅造成的損傷，飛機(jī)設(shè)計(jì)要滿足4個(gè)基本要素，見圖3所示。建立損傷大小模型，既要考慮飛機(jī)所受到的威脅，又要考慮到飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀。損傷模型可切割成面包似的形狀，測(cè)試估計(jì)損傷程度的大小。

設(shè)計(jì)具有容限的新的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，主要不足在于以現(xiàn)在的能力去精確預(yù)計(jì)受到嚴(yán)重威脅時(shí)損傷的程度?，F(xiàn)在的分析方法是通過(guò)水的撞擊壓力對(duì)蒙皮的相互作用估計(jì)瞬間設(shè)備的偏移。這種數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全能力是有用的，但并不適合估計(jì)損傷的尺寸。美國(guó)國(guó)防部非常重視這個(gè)問(wèn)題[1]，飛機(jī)生存力聯(lián)合技術(shù)協(xié)調(diào)小組已有了一項(xiàng)研究和開發(fā)的計(jì)劃，該計(jì)劃名為 “戰(zhàn)傷容限復(fù)合機(jī)翼結(jié)構(gòu)”，它給出了1992年間戰(zhàn)傷容限機(jī)翼設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)。例如，早在1990年已經(jīng)改進(jìn)了水力撞擊響應(yīng)的分析，以表示對(duì)設(shè)計(jì)部門研究的支持。起初所分析的損傷模型圍成一個(gè)面包型形狀切口，最終的損傷模型將計(jì)算并記錄短時(shí)間內(nèi)整個(gè)結(jié)構(gòu)模型上的薄板損傷。通過(guò)對(duì)這些損傷與單向應(yīng)力性質(zhì)的對(duì)比，計(jì)算出薄板損傷的輪廓。該過(guò)程已在波音飛機(jī)使用，成功地預(yù)測(cè)了遭彈丸損傷后復(fù)合薄板試樣的剩余強(qiáng)度。他們把提高嚴(yán)重?fù)p傷的預(yù)測(cè)能力和現(xiàn)有的分析法統(tǒng)一起來(lái)，得到一個(gè)復(fù)合機(jī)翼結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)傷容限設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，如圖4所示。聯(lián)合技術(shù)協(xié)調(diào)小組計(jì)劃將提供標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法，開發(fā)和確認(rèn)戰(zhàn)傷容限結(jié)構(gòu)的思想和機(jī)翼的設(shè)計(jì)。這些測(cè)試方法最終會(huì)變成未來(lái)軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)的合格規(guī)范。

3 具有生存能力的飛機(jī)設(shè)計(jì)方法

在對(duì)重大威脅生存力已有明確要求的情況下，設(shè)計(jì)飛機(jī)最合算的方法是把生存力要求、設(shè)計(jì)能力和現(xiàn)有的方法結(jié)合起來(lái)。早在新飛機(jī)全尺寸研制以前，這種生存力強(qiáng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程就已開始[4]。有兩種生存力設(shè)計(jì)和有效性測(cè)試已引入到現(xiàn)在的飛機(jī)發(fā)展過(guò)程中，早期由思維定式和損傷評(píng)估測(cè)試為初期的飛機(jī)設(shè)計(jì)研究提供數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)思維定式是否正確主要是在基本的結(jié)構(gòu)元件上進(jìn)行，通過(guò)檢驗(yàn)來(lái)評(píng)估蒙皮、附屬結(jié)構(gòu)、接頭和子系統(tǒng)的生存力性能。檢驗(yàn)的結(jié)果具有普遍性，根據(jù)這些結(jié)果進(jìn)一步建立擴(kuò)存數(shù)據(jù)庫(kù)，提高整個(gè)未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)的生存力。威脅大的損傷評(píng)估檢驗(yàn)要用更大的有待設(shè)計(jì)的試樣，以確認(rèn)損傷大小預(yù)測(cè)的精確性。用負(fù)重的試樣來(lái)檢驗(yàn)所采用的設(shè)計(jì)思想，主要目的是檢驗(yàn)飛機(jī)在遭到打擊的過(guò)程中或被打擊后，通過(guò)這種設(shè)計(jì)思想所設(shè)計(jì)的飛機(jī)的載荷能力。這種測(cè)試也可以根據(jù)剩余強(qiáng)度和疲勞性能來(lái)評(píng)估或篩選侯選的設(shè)計(jì)。

對(duì)于設(shè)計(jì)有效性測(cè)試，可在紙上復(fù)制全尺寸測(cè)試的結(jié)果，以證實(shí)最終的設(shè)計(jì)滿足生存力要求。在測(cè)試紙上只涉及那些完成設(shè)計(jì)時(shí)需要檢驗(yàn)對(duì)水力撞擊損傷的抗擊力的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。這種測(cè)試經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且能滿足實(shí)彈測(cè)試的要求，它優(yōu)于關(guān)鍵設(shè)計(jì)的評(píng)審，必要的話還易于進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改。

4 結(jié)束語(yǔ)

在遇到重大威脅時(shí)飛機(jī)能得以生存增加了未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要性，但提高飛機(jī)的生存能力，除了對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求外，還要提高飛機(jī)的戰(zhàn)傷搶修能力，這里不再贅述。

本文所討論的具有更強(qiáng)損傷容限能力的設(shè)計(jì)將會(huì)減輕和平時(shí)期的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。隨著飛機(jī)出動(dòng)率的增加，而只需要較少的保障，其帶來(lái)的整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益將顯現(xiàn)出來(lái)。

[1]Allan H.Johnson,Jack Avery.Enhanced Combat Damage Tolerance/ Supportability for Improved Combat Sustainability[J].Society of Automotive Engineers,1989.

[2]徐緒森，王宏濟(jì)，甘茂治，等.裝備維修工程學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[3]牟致中.維修性設(shè)計(jì)[M].上海：上海科技技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1990.

[4]沈真，張怡寧，黎觀生，等.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.