飞机强度试验:承载至100%或并不是终点……

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翼展72米(折叠后65米)的波音777X飞机

近日,美国《西雅图时报》报道,波音777系列最新机种777X在9月5日进行地面高压应力测试时一扇客舱门脱落,脱落原因是机身结构受损,机身撕裂。

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波音777X机身上的撕裂部位

这在各种飞机的研制和试验中并非罕见一幕。而这件事情背后,却让一个飞机研制中重要的学科再度走到我们面前——飞机强度研究。

那么,飞机强度研究到底是一个怎样的学科?在飞机设计中又具有怎样的地位?

力学是大工业时代的真正科学的基础——马克思

强度专业从力学衍生而来,深耕于工程技术,属于工程力学领域(技术科学范畴)和工程技术领域。其中,飞机强度专业又属于工程力学领域和航空技术领域。

以前的飞机强度专业,研究的主要范畴是狭义的机械力和广义的自然力。

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狭义的机械力

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广义的自然力

随着飞行速度越来越高,使用环境和操控形式越来越复杂,人们开始密切关注结构、控制、环境之间的耦合作用,由高超声速飞行器发展引出的静、热、振、噪多场耦合问题,以及随着飞机全空域飞行、跨地域部署带来的气候环境适应性问题等,也就是进入“大强度”的领域。

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多物理场耦合

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多系统耦合

这几年来,飞机强度研究的方向更从过去较为单一的安全性,演进为安全性、稳定性、可靠性、舒适性、适应性等相互交融,这被称为“新强度”的领域。而强度研究手段,也从最初的解析法发展到工程法,再到数值法;进入二十一世纪之后,其研究手段已经全面演进为基于模型的数字化阶段,也就是“数字强度”领域。

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数字强度

同时,随着航空科技的发展,飞机已由传统机械系统演变到由现代飞控系统使能的半自动化系统,目前正向人-机交互系统发展,未来将向智能系统方向演进。飞机强度专业将面临诸多挑战,在克服这些挑战的同时也将被赋予更多新的内涵。

因此,航空发展百余年来,强度的广义内涵应按这样阐述:

研究对象在设计状态下保持其目标品质的能力。

我国飞机强度研究始于我国首型自行研制的飞机歼教1。著名的飞机设计大师陆孝彭任飞机的总设计师,重点负责飞机的总体强度和结构、系统设计,只用了两年多就让歼教1飞机首飞成功。

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陆孝彭

接下来,在强5身上,陆孝彭进行了我国首次飞机静力强度破坏试验:通过不断试验,陆孝彭带领团队不断修改设计和制造工艺,终于在1965年6月4日,强5试飞成功!由于设计出色,强5于1985年获得中国国家科技进步特等奖,也是我国首型出口的作战飞机。

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1965年6月10日,完全自主研制的强5飞机首飞成功

新岁来临旧岁离,华灯明灭晚烟低。

拼将白发填双鬓,定叫雄鹰展翅飞。

——陆孝彭,于1961年除夕(强5研究阶段)

自此,我国飞机设计就进入规范化路径。尤其是从上世纪末到如今近二十年时间,是飞机型号研制和专业技术发展的黄金时段——我国相继成功研制歼10、歼15、歼20、运20和C919等一大批新型军民用飞机,攻克了一大批强度关键技术,形成了系统的强度专业能力。

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运20全机静力试验

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歼10飞机全机静力试验

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歼11飞机全机静力试验

强度专业能力要经由怎样的路径来验证和提高呢?

这就要提到地面静力试验。这被称之为所有飞机型号必经的“体检科目”,体检对象就是飞机的强度。

2017年12月,央视报道C919静力试验,C919接受静力测试机翼被拉断的视频曝光。

12月30日22时,试验正式开始,按试验大纲要求逐级加载,飞机单边机翼载荷最大达到了95吨,机翼翼尖最大变形达到了3.26米,随着“按程序逐级加载至153%”、“测量,保载3秒”指令的发出,现场爆发出了热烈掌声。

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C919静力试验

这只是静力试验中的一个“小case”。多年来,航空工业强度所着力于大型客机的强度设计、分析与验证,突破了一大批关键技术,形成了一批具有良好应用价值的研究成果,为C919飞机翱翔蓝天提供了强有力的支撑。

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C919静力试验现场

在进行静力试验前——

强度所针对飞机材料、工艺以及结构特点,编制了机体结构静强度分析手册和复合材料结构强度分析手册(具有自主知识产权,填补了我国民机结构设计长期依赖国外手册的空白)。

其次,针对C919选用的铝锂合金、铝镁钪合金等航空新材料,以及机身和机翼的新结构形式,强度所规划了设计性能试验矩阵和试验标准,并完成了大量的材料力学性能测试。

紧接着,在静力试验过程中——

首先为C919这个庞然巨物进行了针对性的工具建造:集智能框架、液压控制、协调加载、精确测量、数据分析、虚拟仿真、实时监控、协同管理八大系统于一体的多功能智能化验证平台。通过试验机试验发现,这一平台的服液压协调加载控制精度优于1%,响应同步采集测量精度优于1%,试验系统可靠度大于99%。

其次,在C919飞机全机静力试验中,保证载荷施加能够非常精准的加载在控制点上。能够做到飞机姿态误差位移不超过5mm,角度误差不大于1°;约束点载荷误差小于5000牛;主动控制加载点误差小于1%Pmax等技术指标,达到国际先进水平。

强度研究与试验贯穿于飞机设计与制造的全过程,对于飞行安全非常重要。正因为有这些航空强度专家们的不断研究与突破,才保证了每型飞机的安全、可靠与舒适。

专栏作者

责任编辑:助理编辑 贾茹

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