王建軍，朱 歡

（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽 464000）

0 引言

提高飛機性能，降低成本是飛機發(fā)展的趨勢。用少量而性能高的飛機去面對未來的沖突，在敵方飛機數(shù)目占優(yōu)勢的情況下，每一架飛機的作戰(zhàn)能力是確定戰(zhàn)局的決定性因素。設(shè)計一種新型飛機最為重要的是面對威脅能夠生存。

在過去30多年，飛機一體化設(shè)計的能力已經(jīng)取得了長足的進步。從飛機設(shè)計方案到各系統(tǒng)說明書中已有了防止多種威脅的設(shè)計。在美軍V-22和A-6飛機的復(fù)合材料設(shè)計中，出現(xiàn)了具有戰(zhàn)斗損傷容限的復(fù)合機翼蒙皮的概念[1]，采用了軟蒙皮和加強整體的方法。但是，對于現(xiàn)有的飛機設(shè)計，尚需進一步提高它們的生存力。未來的戰(zhàn)斗場面將是在緊張的戰(zhàn)斗和艱苦的支持條件下設(shè)備的連續(xù)使用。隨著飛機生存力的提高，會有更多的飛機帶著嚴(yán)重的損傷從戰(zhàn)場上歸來，可修理性將是一筆寶貴的財富。能否從提高生存能力中獲益，就要看受到損傷的飛機能否迅速地投入戰(zhàn)斗。而提高飛機受嚴(yán)重威脅的生存能力的設(shè)計往往是地面維修更為可行。

1 戰(zhàn)斗生存力的設(shè)計要求

未來戰(zhàn)爭可能是化學(xué)、生物、輻射和激烈的常規(guī)戰(zhàn)爭同時存在的戰(zhàn)爭，修理飛機可能在主要保障基地，也可能在臨時保障點，甚至在敵方領(lǐng)地的前行保障點進行特殊修理，在這種戰(zhàn)斗激烈和艱苦修理的條件下，保證飛機有效運轉(zhuǎn)是未來設(shè)計的目的。美軍新武器系統(tǒng)被批準(zhǔn)投入生產(chǎn)以前，要求必須進行實彈射擊測試以評判和設(shè)計要求是否相符。他們通過高速射流產(chǎn)生強烈動態(tài)壓力的水力沖擊損傷方法，來判斷整個機翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和完整性。機翼中彈爆炸是戰(zhàn)場會遇到的一種典型威脅，如圖1所示。圖2表示剩余強度要求和沖擊后剩余強度和載荷之間關(guān)系曲線。從發(fā)展的眼光來看，未來飛機設(shè)計需滿足下面幾點要求[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，具有4g過載的機動性；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。

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

把生存力要求引入到飛機的研制過程，需要研制測試和定性測試。建一個程序塊來研究復(fù)合機身結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種方法把設(shè)計師的想法和測試同設(shè)計過程結(jié)合在一起。按照訂貨單相繼對零件、部件和設(shè)備進行測試。用每個測試得出的結(jié)論建立設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和以后更為復(fù)雜測試試樣的設(shè)計細(xì)節(jié)。設(shè)計樣本的主要標(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際設(shè)備一致。

圖1 飛機遭遇威脅場面

為了確保損傷飛機恢復(fù)正常狀態(tài)，修理標(biāo)準(zhǔn)和要求必須得到飛機接收單位的認(rèn)定。這樣做的好處是對于嚴(yán)重威脅戰(zhàn)斗損傷可以延緩修理的時機，或者在戰(zhàn)場環(huán)境下做簡易修理。按上述要求所研制的機翼結(jié)構(gòu)受到損傷時不經(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，也會減少載油量，影響飛機的航空動力學(xué)性能。因此，完全恢復(fù)飛機載油量和航空動力學(xué)性能的快速修理思想，以及最終恢復(fù)飛機承載能力的戰(zhàn)傷修理，這些必須加強研究并確認(rèn)和飛機的結(jié)構(gòu)外型相一致。

2 應(yīng)付嚴(yán)重威脅造成飛機損傷的設(shè)計

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

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

3 具有生存能力的飛機設(shè)計方法

在對重大威脅生存力已有明確要求的情況下，設(shè)計飛機最合算的方法是把生存力要求、設(shè)計能力和現(xiàn)有的方法結(jié)合起來。早在新飛機全尺寸研制以前，這種生存力強的飛機設(shè)計過程就已開始[4]。有兩種生存力設(shè)計和有效性測試已引入到現(xiàn)在的飛機發(fā)展過程中，早期由思維定式和損傷評估測試為初期的飛機設(shè)計研究提供數(shù)據(jù)。檢驗思維定式是否正確主要是在基本的結(jié)構(gòu)元件上進行，通過檢驗來評估蒙皮、附屬結(jié)構(gòu)、接頭和子系統(tǒng)的生存力性能。檢驗的結(jié)果具有普遍性，根據(jù)這些結(jié)果進一步建立擴存數(shù)據(jù)庫，提高整個未來飛機設(shè)計的生存力。威脅大的損傷評估檢驗要用更大的有待設(shè)計的試樣，以確認(rèn)損傷大小預(yù)測的精確性。用負(fù)重的試樣來檢驗所采用的設(shè)計思想，主要目的是檢驗飛機在遭到打擊的過程中或被打擊后，通過這種設(shè)計思想所設(shè)計的飛機的載荷能力。這種測試也可以根據(jù)剩余強度和疲勞性能來評估或篩選侯選的設(shè)計。

對于設(shè)計有效性測試，可在紙上復(fù)制全尺寸測試的結(jié)果，以證實最終的設(shè)計滿足生存力要求。在測試紙上只涉及那些完成設(shè)計時需要檢驗對水力撞擊損傷的抗擊力的設(shè)計細(xì)節(jié)。這種測試經(jīng)濟實用，而且能滿足實彈測試的要求，它優(yōu)于關(guān)鍵設(shè)計的評審，必要的話還易于進行設(shè)計的修改。

4 結(jié)束語

在遇到重大威脅時飛機能得以生存增加了未來飛機設(shè)計的重要性，但提高飛機的生存能力，除了對飛機的設(shè)計提出了更高的要求外，還要提高飛機的戰(zhàn)傷搶修能力，這里不再贅述。

本文所討論的具有更強損傷容限能力的設(shè)計將會減輕和平時期的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。隨著飛機出動率的增加，而只需要較少的保障，其帶來的整個經(jīng)濟效益和軍事效益將顯現(xiàn)出來。

[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，甘茂治，等.裝備維修工程學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[3]牟致中.維修性設(shè)計[M].上海：上?？萍技夹g(shù)文獻出版社，1990.

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