基于安全性设计的结构充压试验技术

王 海

（中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065）

飞机地面结构强度试验中，常规的静强度试验载荷主要是气动载荷、惯性载荷及起落架地面载荷，试验时简化成离散的节点力施加。现有的常规试验加载方法[1]（如胶布带、拉压垫、接头等），造成安全事故时对飞机结构和试验人员的影响较小，试验安全风险可控。而结构充压试验是一种试验设计和实施难度大、安全风险高的试验[2-3]。通常对于战斗机来说，需要进行结构充压试验的部位主要包含座舱、机翼或机身油箱、进气道等；运输类飞机还包括机身增压舱、增压驾驶舱、水箱、气密舱等部位。在新型飞机研制过程中，需要进行大量的结构充压试验，充分验证结构的气密性和抗压强度。国内针对不同类型飞机、不同密闭结构进行了大量的试验验证，从试验方案设计、控制系统安全保护参数设置、人员设备安全、现场保护措施等多方面，已经形成了一套完整的试验设计方法和实施流程[4-6]。本文在总结以往充压试验经验的基础上，从试验安全性设计角度开展研究，提出了基于安全性设计的结构充压试验方法。

1  结构充压试验

在飞机地面强度试验中，结构充压试验载荷是通过向结构内部充入高压空气实现载荷施加，载荷类型和加载方法具有特殊性。无论针对何种密闭结构进行充压，试验方法和流程基本一致，试验设计主要从试验件、充压设备、控制系统、数据采集系统等4个部分展开。根据整个设计流程，分析试验风险点，对试验件、测控设备、安全保护措施进行规划和设计，形成完备的结构充压试验大纲。图1为试验件及试验所涉及的主要设备，图2为结构充压试验原理图。

2  结构充压试验安全风险分析

图1 试验件及试验设备

图2 结构充压试验原理图

为有效降低结构充压试验风险，需要在试验设计前期，沟通好试验件状态和试验任务书要求，确认好试验件充气口、反馈口、保护口、气压载荷等具体要求。试验设计中针对安全风险分析结果，通过优化设计，规避或降低安全风险。在试验实施环节，增加安全保护措施，加强试验现场安全管理。针对试验各个环节进行有效的风险分析和识别，充分预估试验关键过程和风险点，做好安全防护措施，并制定应急预案，有效防止试验件发生破坏，避免试验出现控制环路失效、保护措施失效、数据监控异常等，加强试验各环节沟通和协调。

结构充压试验安全主要包括试验件安全、人员安全、数据安全等3个方面，试验主要存在的质量安全风险如下。

（1）试验件强度设计不足或缺陷导致充压过程中爆炸。

（2）传感器反馈错误或失灵导致充压控制系统控制回路故障。

（3）充压过程不稳定，过充导致加载误差过大。

（4）结构严重漏气导致气体净流入为负，无法继续加载。

（5）充压过程中控制系统意外卸压，应急卸载保护措施不充分。

3  结构充压试验安全性设计

安全性是设计出来的，试验设计不完善或存在缺陷，将可能引入较严重的潜在危险，从而导致发生安全事故[7]。要确保结构充压试验全过程的本质安全，要加强试验设计源头。安全性设计从“人、机、料、法、环”全方位开展设计，并制定有效的保护措施和应急预案。因此，基于安全性设计的结构充压试验，可以充分保证试验设计和实施流程中每个环节的安全性和可靠性。针对结构充压试验，本文通过总结以往试验经验和分析试验流程，从以下7个方面开展详细的安全性设计，达到规避或降低试验安全风险的目的。基于安全性设计的结构充压试验原理图如图3所示。

图3 基于安全性设计的结构充压试验原理图

（1）结构容积填充。由于空气压缩比大，要达到试验充压载荷，充入结构的气体体积是结构容积的数倍。为了减少充气量，减小意外爆炸时的能量，填充物一般采用塑料泡沫，填充时将泡沫用编织袋装好扎紧或用帆布包裹严实。填充完毕后，将试验件充气口、反馈孔和保护孔用铁丝滤网进行保护，并清理附近的杂物，防止气孔堵塞。

（2）整流及调节流量。由于大部分飞机充压结构容积相比气源流量来说，都属于小容积空间，为了增加流入结构气流的稳定性，在充气台后端串联一至两个储气罐，起到稳流和调节流量的目的。

（3）三阀联动应急卸载保护装置[8]。杜峰等人研发了三阀联动应急卸载保护装置，用于试验应急卸载或试验件意外破坏时，快速切断高压气源继续流向试验件的同时，快速排气，防止试验件意外破坏或二级破坏。

（4）多点控制及多点监视。为了保证整个控制回路的安全，在试验件不同部位设计多个反馈点联合控制充压载荷，可采用多点均值或最大值控制两种控制信号模式。结构体积较大时，设置多个监视点监视结构不同部位的气压。

（5）密封及二次密封。对于进气道等非密闭结构，需要设计并安装专用密封挡板对结构进行密封，再采用密封胶、气球布等进行二次密封。对于座舱、油箱等密闭结构，当进行高载充压试验时，容易出现严重漏气导致试验载荷无法继续施加的情况，因此也需要在原有结构密封条件的基础上进行二次密封。

（6）高频动态数据采集。针对高载充压试验，除采用常规低频数据采集系统和高清摄像设备外，引入高频数据采集技术和高速摄影技术对常规数据采集方法进行补充，保证获取试验件爆破瞬间的应变数据及影像。

（7）现场保护措施。主要是针对人员、设备和试验现场进行的安全防护，在试验件周围采用网状材料进行围堵，并在更大范围内采用帆布进行现场封锁，设置警戒线和有机玻璃保护屏障。

4  结论

本文总结以往的结构充压试验经验，采用安全性设计方法，对试验流程进行了改进和优化，从试验设计、控制、数据监测等多个方面完善了试验各项安全保护措施，形成了一套全面完整的结构充压试验方法。后续针对此类试验，采用本文方法可充分保证结构充压试验的安全可靠。