作战飞机关键结构易损性评估方法研究进展与展望
2021-02-03刘小川张宇
刘小川 张宇
摘要：作战生存力是作战飞机的关键设计指标，分为敏感性和易损性两大研究领域。易损性侧重研究飞机被毁伤威胁命中之后的毁伤特性，常用的度量指标为命中条件下的杀伤概率或易损面积。结构平台是作战飞机功能的载体，结构易损性是飞机易损性的基础，设计规范对结构易损性提出了明确的要求，试验和数值方法是结构易损性评估的主要手段。本文介绍了飞机结构易损性研究的流程，梳理了相关设计规范的要求和研究体系，归类了主要的毁伤威胁和杀伤模式，给出了结构易损性建模与关键结构确定方法，梳理了易损性评价准则和评估方法。总结了燃油箱和操纵面等关键结构在典型毁伤效应作用下的易损性评估方法，以及多毁伤效应耦合作用下的易损性评估方法。结合先进航空结构技术和新质毁伤技术的发展，对结构易损性评估方法的发展方向和重点进行了展望。
关键词：作战飞机；生存力；易损性；关键结构；评估方法
中图分类号：TB122文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.12.005
1991年的海湾战争中，以美军为首的联军凭借技术装备的领先，对伊拉克军队进行了长达38天的空中打击，导致伊拉克一线部队损失超过50%。1999年的科索沃战争中，以美国为首的北约军队通过78天的空中打击，在几乎未动用地面力量的情况下，迫使南联盟接受了停火协议。新的战争形态推动军事理论不断发展，新的作战模式和作战概念在持续涌现，但夺取制空权、保持空中优势始终是一流军队建设的重点。
作战飞机是空中作战的核心装备，其出勤率和战损率对战争胜负具有重要的影响。一战期间，飞机以辅助作战力量的姿态出现，主要关注飞机的飞行高度、速度和航程等性能指标，几乎没考虑生存力问题。二战期间，空军开始作为独立的军种和关键作战力量出现，大规模的空中作战导致数以千计的飞机被击落，飞机开始采用自卫航炮武器、油箱防爆、电子对抗等生存力措施。越战期间，随着航空技术和武器技术的快速发展，地空对抗和空中对抗的烈度大幅提升，美军在战争期间损失了多达5000架的飞机，开始将飞机的作战生存力作为军用飞机的关键设计指标，并从设计规范和试验设施等多个维度构建生存力保障体系。
飞机作战生存力（airplane combat survivability ACS）定义为“飞行器躲避或承受人为敌对环境的能力”，一般分为敏感性和易损性两大领域。敏感性侧重研究探测、跟踪、识别、火力或武器控制、制导、引信起爆、命中等一系列事件，以飞机被威胁命中的可能性（命中概率）来度量。易损性侧重研究飞机被终端武器命中之后的毁伤特性，常用的度量指标为命中条件下的杀伤概率或易损面积。生存力与战斗力之间是指数型的对应关系，例如，沙漠风暴行动的作战数据分析显示，若飞机生存力从98%提高到99%，则剩余飞机的数量将从36%提高到60%（51次出动）[1-2]。
结构是作战飞机实现功能的载体，结构易损性是作战飞机易损性研究的重点，包括毁伤效应的分类、关键易损结构的确定、易损性建模的方法、易损性评价准则等关键技术[3]。早期的结构易损性研究主要是通过实战结果的总结或实弹试验数据进行的，随着计算力学的发展，数值手段已成为结构易损性研究的主要手段[4]。
结构易损性评估的一般過程是[5-6]：基于毁伤树等方法，建立飞机整体结构易损性模型，获得飞机受损的概率及其对应毁伤等级；选取关键结构，建立等效结构模型，获得结构在典型毁伤源作用下的毁伤效应；对关键结构进行抗毁伤优化设计，降低结构的毁伤概率和失效风险。
本文介绍了相关作战飞机结构易损性设计规范的要求，归类了主要的毁伤威胁和杀伤模式，给出结构易损性建模与关键结构确定方法，梳理易损性评价准则和评估方法，总结燃油箱和操纵面等关键结构在典型毁伤效应作用下的易损性评估方法，并对结构易损性评估方法的发展方向和重点进行展望。
1作战飞机结构易损性评估规范
在作战生存力方面，美国颁布了系列军用指南与规范，如MLT-STD-2069《飞机非核生存力大纲要求》、MLTSTD-2089《飞机非核生存力术语》、MLT-HDBK-268（AS）《提高飞机对常规武器威胁的生存力的设计和评估指南》、AR70-75《人员及装备生存力》和JSSG《联合军种规范指南》等，并依据规范开发了系列评估软件。为支撑相关规范，美国建立了多军种生存力分析中心，并建成了21个国家级靶场和试验基地。美军飞机易损性主要研究机构见表1。美国海军生存力试验系统如图1所示。
在JSSG《联合军种规范指南》中，根据作战任务等对飞机易损性设计的需求，将易损性指标分解到各个子系统，给出各个子系统的易损性要求，经过子系统易损性的设计和验证，进而实现飞机整体易损性指标，体现了系统工程的思想，并将易损性研究划分为三个层级，如图2所示。
第一层级JSSG—2000《航空器系统》主要从军方的作战使用角度提出飞机生存力要求指标的要求。要求满足“任务、场景、背景、任务阶段和使用条件规定的任务生存力概率”。即任务生存力、一对一生存力、停放飞机生存力和地面保障生存力。在任务生存力和一对一生存力中，主要考虑飞机的任务类型、任务阶段、损毁级别和生存概率等。第二层级JSSG—2001A《航空器》主要体现对于飞机平台本身的生存力要求，是对JSSG—2000的细化。第三层级则进一步细化，针对具体的结构/系统，提出具体的生存力设计需求。
2结构易损性的建模与评估方法
2.1毁伤机理与毁伤效应
飞机典型作战场景下，可能面临的毁伤源包括对空导弹、航炮、高射炮、空地导弹、航空炸弹等常规武器毁伤源和各种激光、电磁脉冲等新型武器毁伤源。在各类毁伤源作用下，飞机结构毁伤机理主要分为以下4种[3]：（1）机械性毁伤，如穿孔、变形、折断等；（2）激活性毁伤，如燃油箱结构的爆炸等；（3）燃烧性毁伤，如燃油的燃烧等；（4）电磁性毁伤，如核爆等对飞机电子元器件的影响等。
毁伤机理的多样性决定了结构毁伤模式的多样性，如燃油箱结构可能有穿孔变形、燃爆等毁伤模式。结构的毁伤模式是由毁伤源和结构自身特性共同决定的，不同的毁伤源可能引起不同的毁伤模式；相同的毁伤源，不同的结构特性也可能引起不同的毁伤模式。毁伤模式决定了毁伤效应。结构的毁伤效应表现为自身功能的丧失或由它引起的其他结构的功能丧失。根据毁伤模式的不同，可将毁伤效应分为三类[9]：（1）非爆炸性外来物撞击毁伤。非爆炸性外来物撞击毁伤主要包括射弹、导弹（远距离爆炸）、动能武器和其他方式。（2）爆炸性外来物毁伤。爆炸性外来物毁伤主要包括各类高能爆炸弹、爆炸性射弹，与飞机结构接触后或近距离发生爆炸，产生冲击波和密集破片。（3）各种新型毁伤。主要包括高能激光武器毁伤、电磁脉冲武器毁伤、粒子束武器毁伤等。
2.2关键易损结构的确定
燃油箱结构、发动机结构以及舵面结构等是飞机的主要易损结构，按照典型结构/系统对飞机整体易损性的贡献大小，排序见表2。
2.3结构易损性建模方法
针对飞机易损结构的简化建模，可根据研究层级将其划分为两个层级。
第一个层级是针对飞机整体结构的易损性评估。一般将飞机划分成不同的舱段结构，包括驾驶员舱段、电传系统舱段、冷气系统舱段、液压系统舱段、军械系统舱段、网络系统舱段、无线电系统舱段、起落架系统舱段、仪表盘系统舱段、氧气系统舱段和液压系统舱段等。主要基于面描述法简化建立飞机的几何模型。面描述法指用平面四边形去近似目标要害舱段的表面，用一个直角六面体（长方形）去近似一个要害舱段，只要给出飞机结构6个平面上的节点坐标和平面厚度，就可以描述该舱段。考虑真实的飞机几何特征，一般常用圆台、任意平行四边形和长方体建立飞机几何模型。该层级主要用于飞机结构被击中的概率等理论建模研究。图3为简化后的F16模型。
第二个层级是针对飞机中的某一典型易损结构易损性评估。一般常采用强度等效理论，建立与典型易损结构等效的等效靶板（见图4）。等效靶模型是对原来目标功能或结构的近似，原来的目标结构越复杂，那么等效模型结构相应越复杂，等效靶与原始目标的结构越相似，毁伤模拟效果也就越准确。在建立等效靶板时，首先要确定等效靶的材料。等效靶材料的选取原则是：以部件壳体或蒙皮的材料作为等效靶材料，或者选对其抗侵彻性能的研究比较透彻的某种材料。其次是确定等效靶的厚度，等效靶厚度的确定既要考虑不同材料之间的等效关系，又要考虑间隔靶与单层靶之间的等效关系，用的最多的就是强度等效理论，即等效厚度可根据原部件本体材料与等效目标材料的强度极限比进行折算得到。最后，需要保證几何外形接近实际结构。该层级主要用于飞机典型易损结构毁伤失效建模研究。
2.4易损性评估准则
将作战飞机的毁伤等级分为损耗毁伤、任务放弃毁伤和迫降毁伤三类。损耗毁伤是一种非常严重的毁伤，该级别的损伤使飞机无法修复或不值得修复而被放弃，飞机将被放弃或退出战场，从而无法继续执行指定的作战任务。
飞机遭受毁伤之后到其最终毁伤之前，时间是一个非常重要的因素，因此根据时间的长短划分了4种不同的毁伤等级[1]。（1）KK级：飞机遭受打击后立即解体；（2）K级：飞机遭受打击后，30s内其损伤导致飞机失去了控制；（3）A级：飞机遭受打击后，5min内其损伤导致飞机失去了控制；（4）B级：飞机遭受打击后，30min内其损伤导致飞机失去了控制。任务放弃毁伤是指飞机的损伤程度导致其无法完成预先规定的任务，但不足以将其从编制中去掉，一般也称为C级损伤。迫降毁伤是指飞机的损伤程度尚不足以影响本次规定任务的执行，但会导致其无法执行之后的任务（通常情况下在着陆时可能会产生严重损伤），一般也称为E级损伤。
在各类毁伤源的作用下，飞机结构常用的毁伤准则有：结构在击中下的毁伤概率准则、面积消除准则、临界速度准则、能量密度准则和冲击波毁伤准则等[1，3]。
（1）结构在击中下的毁伤概率准则
该准则是侵彻体或破片质量和速度的函数，可以用图形形式表示，或者用解析形式表示。该准则主要用于可被一次打击毁伤的结构，如伺服机构、操纵杆等。PK/H的数值一般是在经验数据、工程判断和试验的基础上综合得到的。
（2）面积消除准则
面积消除准则是指毁伤某一部件而必须从该部件上消除的面积的具体数值。该准则应用于较大侵彻源和许多破片的小间距打击，主要适用于气动外形类结构毁伤研究。
（3）能量密度准则
能量密度准则通过作用在结构上的毁伤源的能量密度阈值来判断结构的毁伤。该准则适用于多破片小间距的打击，主要用于较大结构（如燃油箱结构和发动机等）的毁伤研究。对于存在最小质量临界值的结构，当毁伤源质量低于临界值时，该准则不适用。
（4）冲击波毁伤准则
冲击波毁伤准则通常用作用于目标上的压力和冲量的临界值表示，该准则常用于飞机结构部件和控制面板的毁伤研究。
2.5易损性评估方法
针对飞机结构在特定打击环境下的损伤概率评估，常用的评估方法有毁伤图法、状态转换矩阵法（马尔可夫链法）和简单评估方法[1，3]。
（1）毁伤图法
毁伤图法就是用毁伤数图的形式表示目标受到不同次数打击后所发生的事件及概率，将毁伤图中表示目标毁伤事件的概率累加得到目标遭受不同次数打击后的概率值。毁伤模型如图5所示。
（2）状态转换矩阵法（马尔可夫链法）
毁伤源击中飞机后，飞机可能处于某种状态（如毁伤或者非毁伤），把毁伤源击中飞机看作一系列独立事件，由于毁伤源命中飞机的位置是随机的，所以飞机所处的状态也是随机的，可将其过程模拟为马尔科夫过程。
（3）简单评估方法
该方法基于结构在击中下的毁伤概率PK/H，忽略单独结构在任何一次打击下毁伤的相互排斥性，快速简单准确得到多次打击下毁伤概论的近似公式。
3关键结构在典型毁伤效应下的易损性评估
认识关键结构在典型毁伤效应下的毁伤模式和失效机理是结构易损性研究的基础，本文重点关注了燃油箱结构、翼面/舵面结构、机身蒙皮结构的易损性评估研究进展。
3.1燃油箱结构
当飞机油箱被高速破片击穿时，高速破片将动量和能量傳递给燃油，在燃油中引起强烈的压力脉冲，并伴随有空腔、高压等现象，引发水锤效应，导致结构严重损伤，是燃油箱结构的主要毁伤模式。20世纪70年代上半叶，美军海军研究生院和海军武器中心开展了充液油箱抗破片冲击性能的合作研究计划[10]，Fuhs[11]、Patterson[12]，Bless[13-14]，Lundstrom[15-16]等开展了燃油箱结构抗射弹冲击试验研究。其采用试验手段，分别研究了射弹速度、角度以及燃油箱材料等对燃油箱结构水锤效应毁伤的影响，并测量了破片冲击过程中流体压力变形、结构壁板的应变变化和毁伤程度等。进入21世纪，Scott等[17]基于C-27机翼油箱，根据飞行过程中的机翼受载情况，在测试中采用液压加载装置配合专用工装对机翼施加模拟载荷，确保弯矩、剪切载荷与飞机机翼设计载荷相等，研究了飞行状态下机翼油箱在子弹水锤效应作用后的易损性（剩余强度、冲击温度、泄漏率）。C-27机翼油箱易损性试验如图6所示。
Varas等[18-21]开展了大量燃油箱结构抗破片冲击毁伤研究。其采用试验和数值相结合的研究方法，研究了破片速度、充液比例、金属/复合材料燃油箱结构等对燃油箱结构毁伤的影响，并获得了破片速度、前后壁板应变-时间曲线以及流体压力变化。同时，Varas首次对比了随机拉格朗日-欧拉法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）和光滑粒子流体动力学法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）两种数值分析方法在模拟燃油箱破片冲击过程的差异性。Varas研究如图7所示。
Masahiro等[22]基于试验分析了燃油箱结构裂纹扩展因素；Disimile等[23]研究了破片材质（钨合金、铝合金和钢弹）对燃油箱结构毁伤的影响；Deletombe等[24]分析了燃油箱结构的壁板对水锤效应冲击波的影响；Artero-Guerrero等[25]基于耦合欧拉-拉格朗日法（Coupled Euler-Lagrange，CEL）建模方法，分析了碳纤维复合材料燃油箱结构在破片高速冲击下的毁伤规律。
张伟等[26-28]、黄威[29]开展了破片低速冲击试验，主要关注的是破片速度衰减、形成的空腔形态以及冲击波衰减规律。肖统超等[30]、纪杨子燚等[31]利用弹道枪，分析了不同类型破片（钨球、穿燃破片及反应破片）、破片速度等对燃油箱结构的毁伤影响，获得了燃油箱结构最大变形及变形范围扩展规律。张一[32]开展了水锤效应测量试验方法研究，描述了破片速度对燃油箱结构的毁伤程度影响。郭军等[33]基于二级空气炮系统，形成了燃油箱结构水锤效应试验方法和数据测试能力，开展了基于真实机翼燃油箱盒段结构的燃油箱结构水锤效应研究。水锤效应试验图如图8所示。
在数值仿真方面，白强本等[34]采用ALE方法，研究了破片速度和充液比例对燃油箱结构的毁伤效应；薛瑞峰等[35]分析了破片的长径比对燃油箱结构的毁伤影响；陈亮等[36]采用SPH建模方法，考虑了破片的威胁打击方向对燃油箱结构的毁伤影响；马丽英等[37]分析了水、柴油和航空煤油三种充液介质对燃油箱结构毁伤影响，为相关试验中一般选用水介质（主要为安全考虑）提供了数值支撑。韩璐等[38]系统性分析了破片速度、破片材料、破片形状、入射角度、燃油箱结构充液比等因素对结构的毁伤影响，并初步给出了最大变形比与各物理量之间的经验公式。此外，张里伟[39]、陈照峰[40]、李亚智[41]等也针对射弹冲击充液油箱过程进行了研究。
基于对燃油箱结构在不同毁伤源作用下的毁伤特性研究，学者们还开展了高抗损燃油箱结构设计研究。Zapel[42]通过在燃油箱结构内部增加泡沫内衬，通过试验发现该方法可有效降低射弹冲击过程中对油箱的破坏；Townsend等[43]为了降低充液油箱的破坏程度，采用两种方法：在油箱内填充含空气的薄板和使空气冒泡穿过流体，这两种技术均是通过引入低阻抗来干扰或分散射弹冲击产生的冲击波；Childress[44]提出了蜂窝式翼盒结构，设计了5种方案的翼盒结构：正方形蜂窝式翼盒结构、三角形蜂窝式翼盒结构、复合材料翼梁结构、钛合金翼梁结构、钛合金翼梁和复合材料翼梁混合布置的结构，通过试验发现钛合金翼梁和复合材料翼梁混合布置结构不仅质量最轻，而且能够保证在射弹高速冲击下，造成的损伤控制在5个翼盒结构之内。
Disimile等[45]从结构设计、优化出发，通过在箱体内部设计锯齿结构，产生大量干扰波，通过波的相互作用破坏、抵消射弹冲击过程中产生的冲击波，进而保证结构的安全性，最后通过试验验证了该结构降低充液油箱破坏的有效性；Artero-Guerrero等[46]提出了铝蜂窝式设计方法，通过在铝管中填放铝蜂窝材料，在保证重量增加只有6.8%的情况下，明显限制空腔的扩展膨胀，减小射弹冲击下充液铝管的变形损伤程度。Artero-Guerrero设计的油箱如图9所示。Varas等[47]通過在充液油箱结构中添加金属夹层壁板的方式，发现部分构型可有效降低后壁板的变形程度，但对流体压力峰值基本没有影响。张宇等[48-49]设计了典型格栅式燃油箱结构，并通过试验和数值分析方法，研究了格栅数量、射弹速度、结构构型、充液比例、液面压力、流体黏性等对燃油箱结构的抗毁伤影响，验证该燃油箱结构在高速射弹冲击下的毁伤特性。
3.2翼面/舵面结构
翼面/舵面结构易损性可分为一次损伤和二次损伤，一次损伤是研究翼面/舵面结构被破片、爆炸冲击波等毁伤源击中下的损伤，二次损伤是研究翼面/舵面结构被破片、爆炸冲击波等毁伤源击中下导致的气动特性损伤变化。自20世纪60年代开始，以美国、德国和英国为首的西方军事强国，投入大量人力、物力和财力，通过实弹打击/爆炸试验获得了大量的数据，建立了大量的模型，编写了相关手册[50-51]，形成一批有价值的理论成果[52-58]，但少见公开报道。如Robert[1]指出，2 lbf/in2（1 lbf≈4.448N）的冲击过压作用于水平尾翼表面上1ms即可导致结构产生损伤，无法承受飞行载荷。
国内在一次损伤研究方面，冯晓伟等[59]以爆炸冲击波作为毁伤源，考虑飞行中的动态载荷的影响，分析了典型机翼翼面结构在冲击波作用下的失效过程，获得了机翼翼面结构失效的冲击波超压-冲量准则，确定了飞机机翼翼面的失效判据。赵汝岩等[60]基于厚度等效原理，将飞机翼面/舵面结构等效为不同厚度的靶板，得到了造成不同等级毁伤所需的高速动能弹的直径与速度。徐梓熙等[61]研究了钢制破片和活性破片对飞机翼面/舵面结构的毁伤效果，发现活性破片对飞机翼面/舵面结构具有更强的毁伤能力。张宇等[62]基于强度等效原理，将典型飞机舵面结构简化为V形靶板，获得了结构变形以及破片剩余速度等变化规律，分析了破片角度对结构损伤失效的影响。毁伤试验图如图10所示。
在二次损伤研究方面，高玉伟等[63]基于经验证的飞机翼面数值分析模型，研究了破片、离散杆、连续杆破片对飞机翼面结构的损伤影响，并进一步分析损伤后的机翼气动特性，表明连续杆战斗部对飞机翼面的二次损伤更严重，甚至可能导致飞机在特定状态下的杀伤。于克杰等[64]针对飞机舵面结构，基于真实受载特性的分析，建立了舵面结构高应力部位的数值分析模型，并分析不同损伤尺寸对应力分布以及舵面功能的影响，为损伤后的限制飞行和修改提供的数据支撑。陈志伟[65]、贾忠湖等[66]、巩彦明等[67]基于面积消去原理等效破片在翼面/舵面结构形成的损伤，分析了不同损伤程度下翼面/舵面结构的气动特性和性能降级，获得其易损特性。二次损伤研究试验图如图11所示。
3.3机身壁蒙皮结构
机身壁蒙皮结构的易损性研究多采用强度等效原理，将其等效为加筋壁板结构，主要考虑爆炸冲击波和破片等毁伤源。程帅等[68]基于爆炸冲击试验，获得了飞机典型加筋结构的反射超压历程、应变、位移等结构响应，并结合数值分析，研究了典型加筋结构在爆炸冲击载荷下的变形分布规律和塑性毁伤特性。刘宗兴等[69]则从民航客机的最小风险炸弹位置适航要求出发，数值分析研究了飞机机身内部爆炸对典型机身壁板/蒙皮结构的毁伤响应及破坏模式的影响，同时分析了爆炸毁伤后的剩余强度，提出了表征剩余强度的无量纲系数，并最终建立了剩余强度无量纲（量纲一）系数与爆炸当量及爆炸距离之间的经验公式。周书婷[70]基于近爆场下周边固支结构的爆炸冲击试验，验证了有限元模型的有效性，并得到了四边固支铝合金加筋壁板结构的动态响应及破坏模式。姚武文等[71]通过典型事例分析，研究了爆炸载荷下飞机蒙皮结构的崩落损伤，并重点讨论了爆炸距离、爆炸当量对蒙皮结构崩落损伤的影响，建立了相应的经验计算公式。机身壁蒙皮结构爆炸试验如图12所示。
潘庆军等[72]以飞机硬铝加筋蒙皮结构为研究对象，分析了杆式破片不同冲击速度和攻击角度对加筋蒙皮结构的毁伤，得到了加筋蒙皮结构的损伤情况以及破片的剩余速度、剩余质量、冲塞块质量、塑性变形区域等随入射速度与迎角的变化规律。孟文[73]则较为系统地分析了杆式破片、六面体破片、球形破片、立方体破片等对薄板蒙皮以及Z形加筋蒙皮壁板的毁伤，得到破片极限穿透速度、剩余速度、剩余质量以及靶板进入塑性变形区域的尺寸等破坏结果，并给出了特定条件下适用的经验公式。此外，宋丽丽[74]采用理论、数值与试验相结合的研究方法，分析了横向效应增强型侵彻体（PELE）破片对金属薄板的毁伤。陈国乐等[75-76]建立了离散杆破片对飞机壁板蒙皮的毁伤模型，得到了破片速度和蒙皮厚度对毁伤效应的影响。
4关键结构多毁伤效应作用下的易损性评估
对于作战飞机，在真实的作战场景下，往往面临导弹战斗部爆炸后的碎片云、地面高炮和航炮连续发射等动能弹毁伤源的威胁，因此多毁伤效应的研究更具现实意义。
4.1多发动能弹多次毁伤
针对易损结构多次毁伤，蓝肖颖等[77]以飞机燃油箱结构为研究对象，研究了双动能破片毁伤源对充液结构的毁伤，并重点分析了水锤效应压力载荷的叠加及其与毁伤源距离之间的变化规律。杨砚世等[78]在通过对比单破片、多破片冲击充液燃油箱结构，发现破片间距约为8.3倍的破片直径时油箱结构变形最大。韩璐等[79]基于经验证的数值分析模型，分析了双破片间距、时间间隔、以及多枚破片同时作用下的水锤效应载荷叠加以及结构壁板的变形规律。多次毁伤研究试验图如图13所示。
针对飞机多次毁伤概率，韩璐等[80]分析了混合破片双层战斗部、混合破片单层战斗部、单种破片双层战斗部和单种破片单层战斗部对飞机不同舱段结构的杀伤概率，表明相同战斗部尺寸时，混合破片双层战斗部对飞机的杀伤概率最高。侯志强等[81]基于非余度部件对非余度部件、非余度部件对余度部件、余度部件对非余度部件、余度部件对余度部件4种情况，分析了多次击中条件下飞机结构部件的毁伤概率。李向东等[82]将飞机分成不同的存在状态，根据飞机部件的抗毁伤能力及呈现面积，得出飞机状态转移概率，并基于多次毁伤得到的转移概率以及飞机的初始状态，得到多次毁伤下飞机的毁伤概率。
4.2爆炸冲击波/破片耦合作用
导弹近距离爆炸时，易损结构的毁伤特性需要综合考虑爆炸冲击波和破片的共同影响。董秋阳[83]基于爆炸冲击波/破片联合毁伤试验结果，结合数值分析，系统性分析了蒙皮结构在破片以及爆炸冲击波作用下的损伤形式和损伤程度，并详细讨论了破片和冲击波联合作用顺序对蒙皮的损伤影响，得到了破片速度、冲击波峰值超压、正压区作用时间三个因素对复合作用损伤结果的影响规律。冯顺山等[84-85]基于小型导弹战斗部对飞机结构的毁伤试验，研究破片和爆炸冲击波毁伤效应，并应用数理统计方法给出了“杀爆相关毁伤准则”的工程计算式。郭淼等[86]则针对相控阵雷达天线罩结构，建立了相控阵雷达天线罩等效靶板钨破片侵彻下的爆炸冲击毁伤有限元模型，分析了破片先到达情况下的联合毁伤，并对比了破片侵彻（毁伤耦合）和预先打孔（毁伤解耦）结构分析的差异性。此外，郑红伟等[87]、段新峰等[88]、张成亮等[89]等基于试验和数值分析方法，研究了爆炸冲击波和高速破片对加筋平板结构的复合作用，分析了毁伤形貌。爆炸冲击波/破片耦合试验研究图如图14所示。
5结论与展望
5.1結论
基于战争经验的总结，生存力已成为作战飞机的重要设计指标，各航空强国均建立了生存力设计与评估的规范体系和试验体系。生存力分为敏感性和易损性两大领域，结构易损性表征了关键结构被命中后的毁伤概率，是易损性研究的重点和热点。相关研究主要聚焦于毁伤效应、机体结构的易损性建模方法、结构易损性的评价准则和评估方法等，已形成了相关的设计规范，开发了多类型的易损性评估软件。
在关键结构易损性评估方法研究方面，采取试验与数值方法，研究了典型毁伤效应和多毁伤效应耦合作用下，燃油箱结构、翼面/舵面结构和机身蒙皮结构的易损性评估的试验方法和数值方法。对于燃油箱结构，评估了射弹类型、射弹速度、结构构型、充液比例、液面压力、流体黏性等对燃油箱结构易损性的影响，特别关注了水锤效应这一燃油箱特有的气-固-液耦合毁伤模式。对于翼面/舵面结构和蒙皮结构，则评估了爆炸超压、破片类型、破片速度、飞行状态等对结构易损性的影响，并建立了剩余强度评估的方法。
5.2展望
作战飞机结构易损性评估是复杂的系统工程，贯穿了飞机研制和服役的全过程。先进作战飞机对结构易损性技术提出了更高的要求，如在结构方面，下一代作战飞机将更多的使用新材料（如高性能复合材料、先进轻质金属等），并采用新的制造技术（如增材制造、大型整体化结构等），同时还将面临新的毁伤效应威胁（包括传统毁伤威胁的升级如更高能量的破片，以及激光、电磁等新毁伤威胁）。应重点关注的研究方向包括：
（1）建立典型飞机结构的损伤准则，如高性能复合材料结构、先进金属结构等在典型毁伤效应作用下的毁伤判据，建立系统级和部件级别的易损性评估方法。
（2）研究典型飞机结构在激光等新毁伤效应作用下的毁伤机理，获得激光参数、大气条件、照射时间等对材料或结构失效的影响规律，并考虑应力边界、飞行状态等对失效模式的影响等，并开发隐身-防护多功能涂层材料与工艺。
（3）研发结构易损性评估软件系统，建立支撑软件的材料数据库和典型结构毁伤数据库，为结构高生存力设计工具提供支撑。
（4）构建完善作战飞机结构易损性试验能力体系，特别是实验室试验能力，建立起相关的试验规范，形成面向真实作战环境的结构响应测试能力和连续观测能力。
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Research Progress and Prospects of Vulnerability Assessment Methods for Key Structures of Combat Aircraft
Liu Xiaochuan，Zhang Yu
Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China
Abstract： Combat survivability which is divided into sensitivity and vulnerability is the key design index of aircraft. Vulnerability focuses on the damage characteristics of aircraft after being hit by damage threat. And the commonly used measure is the kill probability or vulnerable area. Structure is the carrier of combat aircraft function， so the structural vulnerability is the basis of the aircrafts vulnerability. The design specifications put forward clear requirements for structural vulnerability which is usually evaluated by experimental and numerical methods. This paper introduces the process， the requirements and rese
