王 海

（中國飛機強度研究所?全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西?西安?710065）

飛機地面結(jié)構(gòu)強度試驗中，常規(guī)的靜強度試驗載荷主要是氣動載荷、慣性載荷及起落架地面載荷，試驗時簡化成離散的節(jié)點力施加。現(xiàn)有的常規(guī)試驗加載方法[1]（如膠布帶、拉壓墊、接頭等），造成安全事故時對飛機結(jié)構(gòu)和試驗人員的影響較小，試驗安全風險可控。而結(jié)構(gòu)充壓試驗是一種試驗設計和實施難度大、安全風險高的試驗[2-3]。通常對于戰(zhàn)斗機來說，需要進行結(jié)構(gòu)充壓試驗的部位主要包含座艙、機翼或機身油箱、進氣道等；運輸類飛機還包括機身增壓艙、增壓駕駛艙、水箱、氣密艙等部位。在新型飛機研制過程中，需要進行大量的結(jié)構(gòu)充壓試驗，充分驗證結(jié)構(gòu)的氣密性和抗壓強度。國內(nèi)針對不同類型飛機、不同密閉結(jié)構(gòu)進行了大量的試驗驗證，從試驗方案設計、控制系統(tǒng)安全保護參數(shù)設置、人員設備安全、現(xiàn)場保護措施等多方面，已經(jīng)形成了一套完整的試驗設計方法和實施流程[4-6]。本文在總結(jié)以往充壓試驗經(jīng)驗的基礎上，從試驗安全性設計角度開展研究，提出了基于安全性設計的結(jié)構(gòu)充壓試驗方法。

1??結(jié)構(gòu)充壓試驗

在飛機地面強度試驗中，結(jié)構(gòu)充壓試驗載荷是通過向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入高壓空氣實現(xiàn)載荷施加，載荷類型和加載方法具有特殊性。無論針對何種密閉結(jié)構(gòu)進行充壓，試驗方法和流程基本一致，試驗設計主要從試驗件、充壓設備、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等4個部分展開。根據(jù)整個設計流程，分析試驗風險點，對試驗件、測控設備、安全保護措施進行規(guī)劃和設計，形成完備的結(jié)構(gòu)充壓試驗大綱。圖1為試驗件及試驗所涉及的主要設備，圖2為結(jié)構(gòu)充壓試驗原理圖。

2??結(jié)構(gòu)充壓試驗安全風險分析

圖1 試驗件及試驗設備

圖2 結(jié)構(gòu)充壓試驗原理圖

為有效降低結(jié)構(gòu)充壓試驗風險，需要在試驗設計前期，溝通好試驗件狀態(tài)和試驗任務書要求，確認好試驗件充氣口、反饋口、保護口、氣壓載荷等具體要求。試驗設計中針對安全風險分析結(jié)果，通過優(yōu)化設計，規(guī)避或降低安全風險。在試驗實施環(huán)節(jié)，增加安全保護措施，加強試驗現(xiàn)場安全管理。針對試驗各個環(huán)節(jié)進行有效的風險分析和識別，充分預估試驗關(guān)鍵過程和風險點，做好安全防護措施，并制定應急預案，有效防止試驗件發(fā)生破壞，避免試驗出現(xiàn)控制環(huán)路失效、保護措施失效、數(shù)據(jù)監(jiān)控異常等，加強試驗各環(huán)節(jié)溝通和協(xié)調(diào)。

結(jié)構(gòu)充壓試驗安全主要包括試驗件安全、人員安全、數(shù)據(jù)安全等3個方面，試驗主要存在的質(zhì)量安全風險如下。

（1）試驗件強度設計不足或缺陷導致充壓過程中爆炸。

（2）傳感器反饋錯誤或失靈導致充壓控制系統(tǒng)控制回路故障。

（3）充壓過程不穩(wěn)定，過充導致加載誤差過大。

（4）結(jié)構(gòu)嚴重漏氣導致氣體凈流入為負，無法繼續(xù)加載。

（5）充壓過程中控制系統(tǒng)意外卸壓，應急卸載保護措施不充分。

3??結(jié)構(gòu)充壓試驗安全性設計

安全性是設計出來的，試驗設計不完善或存在缺陷，將可能引入較嚴重的潛在危險，從而導致發(fā)生安全事故[7]。要確保結(jié)構(gòu)充壓試驗全過程的本質(zhì)安全，要加強試驗設計源頭。安全性設計從“人、機、料、法、環(huán)”全方位開展設計，并制定有效的保護措施和應急預案。因此，基于安全性設計的結(jié)構(gòu)充壓試驗，可以充分保證試驗設計和實施流程中每個環(huán)節(jié)的安全性和可靠性。針對結(jié)構(gòu)充壓試驗，本文通過總結(jié)以往試驗經(jīng)驗和分析試驗流程，從以下7個方面開展詳細的安全性設計，達到規(guī)避或降低試驗安全風險的目的。基于安全性設計的結(jié)構(gòu)充壓試驗原理圖如圖3所示。

圖3 基于安全性設計的結(jié)構(gòu)充壓試驗原理圖

（1）結(jié)構(gòu)容積填充。由于空氣壓縮比大，要達到試驗充壓載荷，充入結(jié)構(gòu)的氣體體積是結(jié)構(gòu)容積的數(shù)倍。為了減少充氣量，減小意外爆炸時的能量，填充物一般采用塑料泡沫，填充時將泡沫用編織袋裝好扎緊或用帆布包裹嚴實。填充完畢后，將試驗件充氣口、反饋孔和保護孔用鐵絲濾網(wǎng)進行保護，并清理附近的雜物，防止氣孔堵塞。

（2）整流及調(diào)節(jié)流量。由于大部分飛機充壓結(jié)構(gòu)容積相比氣源流量來說，都屬于小容積空間，為了增加流入結(jié)構(gòu)氣流的穩(wěn)定性，在充氣臺后端串聯(lián)一至兩個儲氣罐，起到穩(wěn)流和調(diào)節(jié)流量的目的。

（3）三閥聯(lián)動應急卸載保護裝置[8]。杜峰等人研發(fā)了三閥聯(lián)動應急卸載保護裝置，用于試驗應急卸載或試驗件意外破壞時，快速切斷高壓氣源繼續(xù)流向試驗件的同時，快速排氣，防止試驗件意外破壞或二級破壞。

（4）多點控制及多點監(jiān)視。為了保證整個控制回路的安全，在試驗件不同部位設計多個反饋點聯(lián)合控制充壓載荷，可采用多點均值或最大值控制兩種控制信號模式。結(jié)構(gòu)體積較大時，設置多個監(jiān)視點監(jiān)視結(jié)構(gòu)不同部位的氣壓。

（5）密封及二次密封。對于進氣道等非密閉結(jié)構(gòu)，需要設計并安裝專用密封擋板對結(jié)構(gòu)進行密封，再采用密封膠、氣球布等進行二次密封。對于座艙、油箱等密閉結(jié)構(gòu)，當進行高載充壓試驗時，容易出現(xiàn)嚴重漏氣導致試驗載荷無法繼續(xù)施加的情況，因此也需要在原有結(jié)構(gòu)密封條件的基礎上進行二次密封。

（6）高頻動態(tài)數(shù)據(jù)采集。針對高載充壓試驗，除采用常規(guī)低頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高清攝像設備外，引入高頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高速攝影技術(shù)對常規(guī)數(shù)據(jù)采集方法進行補充，保證獲取試驗件爆破瞬間的應變數(shù)據(jù)及影像。

（7）現(xiàn)場保護措施。主要是針對人員、設備和試驗現(xiàn)場進行的安全防護，在試驗件周圍采用網(wǎng)狀材料進行圍堵，并在更大范圍內(nèi)采用帆布進行現(xiàn)場封鎖，設置警戒線和有機玻璃保護屏障。

4??結(jié)論

本文總結(jié)以往的結(jié)構(gòu)充壓試驗經(jīng)驗，采用安全性設計方法，對試驗流程進行了改進和優(yōu)化，從試驗設計、控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測等多個方面完善了試驗各項安全保護措施，形成了一套全面完整的結(jié)構(gòu)充壓試驗方法。后續(xù)針對此類試驗，采用本文方法可充分保證結(jié)構(gòu)充壓試驗的安全可靠。