加强飞机战斗损伤容限的飞机设计一体化研究

王建军，朱 欢

（空军第一航空学院，河南信阳 464000）

0 引言

提高飞机性能，降低成本是飞机发展的趋势。用少量而性能高的飞机去面对未来的冲突，在敌方飞机数目占优势的情况下，每一架飞机的作战能力是确定战局的决定性因素。设计一种新型飞机最为重要的是面对威胁能够生存。

在过去30多年，飞机一体化设计的能力已经取得了长足的进步。从飞机设计方案到各系统说明书中已有了防止多种威胁的设计。在美军V-22和A-6飞机的复合材料设计中，出现了具有战斗损伤容限的复合机翼蒙皮的概念[1]，采用了软蒙皮和加强整体的方法。但是，对于现有的飞机设计，尚需进一步提高它们的生存力。未来的战斗场面将是在紧张的战斗和艰苦的支持条件下设备的连续使用。随着飞机生存力的提高，会有更多的飞机带着严重的损伤从战场上归来，可修理性将是一笔宝贵的财富。能否从提高生存能力中获益，就要看受到损伤的飞机能否迅速地投入战斗。而提高飞机受严重威胁的生存能力的设计往往是地面维修更为可行。

1 战斗生存力的设计要求

未来战争可能是化学、生物、辐射和激烈的常规战争同时存在的战争，修理飞机可能在主要保障基地，也可能在临时保障点，甚至在敌方领地的前行保障点进行特殊修理，在这种战斗激烈和艰苦修理的条件下，保证飞机有效运转是未来设计的目的。美军新武器系统被批准投入生产以前，要求必须进行实弹射击测试以评判和设计要求是否相符。他们通过高速射流产生强烈动态压力的水力冲击损伤方法，来判断整个机翼结构的设计和完整性。机翼中弹爆炸是战场会遇到的一种典型威胁，如图1所示。图2表示剩余强度要求和冲击后剩余强度和载荷之间关系曲线。从发展的眼光来看，未来飞机设计需满足下面几点要求[2]：①能承受30mm高能量炮弹的打击能力；②能承受燃箱发生爆炸的能力；③遭到击打时，具有4g过载的机动性；④打击后有一定的承载能力；⑤带着全部外挂物安全返航着陆。

炮弹击中油箱测试可在飞机的油箱装满水，以模拟油箱受损的情况，同时不会引起测试位置着火。设计新飞机，必须严格要求燃油消耗后不会生成有活性的物质，具有灭火功能，减少着火和爆炸对飞机的损害。

把生存力要求引入到飞机的研制过程，需要研制测试和定性测试。建一个程序块来研究复合机身结构设计，这种方法把设计师的想法和测试同设计过程结合在一起。按照订货单相继对零件、部件和设备进行测试。用每个测试得出的结论建立设计标准和以后更为复杂测试试样的设计细节。设计样本的主要标准要确保高低和复杂程度适当，试样的故障模式要和实际设备一致。

图1 飞机遭遇威胁场面

为了确保损伤飞机恢复正常状态，修理标准和要求必须得到飞机接收单位的认定。这样做的好处是对于严重威胁战斗损伤可以延缓修理的时机，或者在战场环境下做简易修理。按上述要求所研制的机翼结构受到损伤时不经修理仍能悬挂一定重量的载荷，然而，即使受到再小的损伤，也会减少载油量，影响飞机的航空动力学性能。因此，完全恢复飞机载油量和航空动力学性能的快速修理思想，以及最终恢复飞机承载能力的战伤修理，这些必须加强研究并确认和飞机的结构外型相一致。

2 应付严重威胁造成飞机损伤的设计

为了提高战伤生存能力，设计时要求重视飞机战斗损伤容限，并且要把这种思想贯彻到飞机设计的思想中去[3]。为了应付严重威胁造成的损伤，飞机设计要满足4个基本要素，见图3所示。建立损伤大小模型，既要考虑飞机所受到的威胁，又要考虑到飞机的结构形状。损伤模型可切割成面包似的形状，测试估计损伤程度的大小。

设计具有容限的新的飞机结构，主要不足在于以现在的能力去精确预计受到严重威胁时损伤的程度。现在的分析方法是通过水的撞击压力对蒙皮的相互作用估计瞬间设备的偏移。这种数据对评估结构的安全能力是有用的，但并不适合估计损伤的尺寸。美国国防部非常重视这个问题[1]，飞机生存力联合技术协调小组已有了一项研究和开发的计划，该计划名为 “战伤容限复合机翼结构”，它给出了1992年间战伤容限机翼设计的标准、设计方法和关键技术。例如，早在1990年已经改进了水力撞击响应的分析，以表示对设计部门研究的支持。起初所分析的损伤模型围成一个面包型形状切口，最终的损伤模型将计算并记录短时间内整个结构模型上的薄板损伤。通过对这些损伤与单向应力性质的对比，计算出薄板损伤的轮廓。该过程已在波音飞机使用，成功地预测了遭弹丸损伤后复合薄板试样的剩余强度。他们把提高严重损伤的预测能力和现有的分析法统一起来，得到一个复合机翼结构的战伤容限设计分析系统，如图4所示。联合技术协调小组计划将提供标准化的测试方法，开发和确认战伤容限结构的思想和机翼的设计。这些测试方法最终会变成未来军用飞机设计的合格规范。

3 具有生存能力的飞机设计方法

在对重大威胁生存力已有明确要求的情况下，设计飞机最合算的方法是把生存力要求、设计能力和现有的方法结合起来。早在新飞机全尺寸研制以前，这种生存力强的飞机设计过程就已开始[4]。有两种生存力设计和有效性测试已引入到现在的飞机发展过程中，早期由思维定式和损伤评估测试为初期的飞机设计研究提供数据。检验思维定式是否正确主要是在基本的结构元件上进行，通过检验来评估蒙皮、附属结构、接头和子系统的生存力性能。检验的结果具有普遍性，根据这些结果进一步建立扩存数据库，提高整个未来飞机设计的生存力。威胁大的损伤评估检验要用更大的有待设计的试样，以确认损伤大小预测的精确性。用负重的试样来检验所采用的设计思想，主要目的是检验飞机在遭到打击的过程中或被打击后，通过这种设计思想所设计的飞机的载荷能力。这种测试也可以根据剩余强度和疲劳性能来评估或筛选侯选的设计。

对于设计有效性测试，可在纸上复制全尺寸测试的结果，以证实最终的设计满足生存力要求。在测试纸上只涉及那些完成设计时需要检验对水力撞击损伤的抗击力的设计细节。这种测试经济实用，而且能满足实弹测试的要求，它优于关键设计的评审，必要的话还易于进行设计的修改。

4 结束语

在遇到重大威胁时飞机能得以生存增加了未来飞机设计的重要性，但提高飞机的生存能力，除了对飞机的设计提出了更高的要求外，还要提高飞机的战伤抢修能力，这里不再赘述。

本文所讨论的具有更强损伤容限能力的设计将会减轻和平时期的经济负担。随着飞机出动率的增加，而只需要较少的保障，其带来的整个经济效益和军事效益将显现出来。

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

[2]徐绪森，王宏济，甘茂治，等.装备维修工程学[M].北京：国防工业出版社，1994.

[3]牟致中.维修性设计[M].上海：上海科技技术文献出版社，1990.

[4]沈真，张怡宁，黎观生，等.复合材料飞机结构耐久性/损伤容限设计指南[M].北京：航空工业出版社，1995.