加強飛機戰斗損傷容限的飛機設計一體化研究

王建軍，朱 歡

（空軍第一航空學院，河南信陽 464000）

0 引言

提高飛機性能，降低成本是飛機發展的趨勢。用少量而性能高的飛機去面對未來的沖突，在敵方飛機數目占優勢的情況下，每一架飛機的作戰能力是確定戰局的決定性因素。設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，飛機一體化設計的能力已經取得了長足的進步。從飛機設計方案到各系統說明書中已有了防止多種威脅的設計。在美軍V-22和A-6飛機的復合材料設計中，出現了具有戰斗損傷容限的復合機翼蒙皮的概念[1]，采用了軟蒙皮和加強整體的方法。但是，對于現有的飛機設計，尚需進一步提高它們的生存力。未來的戰斗場面將是在緊張的戰斗和艱苦的支持條件下設備的連續使用。隨著飛機生存力的提高，會有更多的飛機帶著嚴重的損傷從戰場上歸來，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斗。而提高飛機受嚴重威脅的生存能力的設計往往是地面維修更為可行。

1 戰斗生存力的設計要求

未來戰爭可能是化學、生物、輻射和激烈的常規戰爭同時存在的戰爭，修理飛機可能在主要保障基地，也可能在臨時保障點，甚至在敵方領地的前行保障點進行特殊修理，在這種戰斗激烈和艱苦修理的條件下，保證飛機有效運轉是未來設計的目的。美軍新武器系統被批準投入生產以前，要求必須進行實彈射擊測試以評判和設計要求是否相符。他們通過高速射流產生強烈動態壓力的水力沖擊損傷方法，來判斷整個機翼結構的設計和完整性。機翼中彈爆炸是戰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系曲線。從發展的眼光來看，未來飛機設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。設計新飛機，必須嚴格要求燃油消耗后不會生成有活性的物質，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合機身結構設計，這種方法把設計師的想法和測試同設計過程結合在一起。按照訂貨單相繼對零件、部件和設備進行測試。用每個測試得出的結論建立設計標準和以后更為復雜測試試樣的設計細節。設計樣本的主要標準要確保高低和復雜程度適當，試樣的故障模式要和實際設備一致。

圖1 飛機遭遇威脅場面

為了確保損傷飛機恢復正常狀態，修理標準和要求必須得到飛機接收單位的認定。這樣做的好處是對于嚴重威脅戰斗損傷可以延緩修理的時機，或者在戰場環境下做簡易修理。按上述要求所研制的機翼結構受到損傷時不經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性能。因此，完全恢復飛機載油量和航空動力學性能的快速修理思想，以及最終恢復飛機承載能力的戰傷修理，這些必須加強研究并確認和飛機的結構外型相一致。

2 應付嚴重威脅造成飛機損傷的設計

為了提高戰傷生存能力，設計時要求重視飛機戰斗損傷容限，并且要把這種思想貫徹到飛機設計的思想中去[3]。為了應付嚴重威脅造成的損傷，飛機設計要滿足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構形狀。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。

設計具有容限的新的飛機結構，主要不足在于以現在的能力去精確預計受到嚴重威脅時損傷的程度。現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備的偏移。這種數據對評估結構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]，飛機生存力聯合技術協調小組已有了一項研究和開發的計劃，該計劃名為 “戰傷容限復合機翼結構”，它給出了1992年間戰傷容限機翼設計的標準、設計方法和關鍵技術。例如，早在1990年已經改進了水力撞擊響應的分析，以表示對設計部門研究的支持。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整個結構模型上的薄板損傷。通過對這些損傷與單向應力性質的對比，計算出薄板損傷的輪廓。該過程已在波音飛機使用，成功地預測了遭彈丸損傷后復合薄板試樣的剩余強度。他們把提高嚴重損傷的預測能力和現有的分析法統一起來，得到一個復合機翼結構的戰傷容限設計分析系統，如圖4所示。聯合技術協調小組計劃將提供標準化的測試方法，開發和確認戰傷容限結構的思想和機翼的設計。這些測試方法最終會變成未來軍用飛機設計的合格規范。

3 具有生存能力的飛機設計方法

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

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

4 結束語

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

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

[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[M].北京：國防工業出版社，1994.

[3]牟致中.維修性設計[M].上海：上?？萍技夹g文獻出版社，1990.

[4]沈真，張怡寧，黎觀生，等.復合材料飛機結構耐久性/損傷容限設計指南[M].北京：航空工業出版社，1995.