“疲勞”人生——記中國工程院張福澤院士

李韶華

張福澤，1936年出生于遼寧岫巖。1962年畢業于北京航空學院（現為北京航空航天大學），同年10月分配到空軍第一研究所（現為空軍裝備研究院某航空研究所，簡稱航空所），歷任技術員、工程師、高級工程師，空軍首席專家，解放軍總裝備部科學技術委員會兼職委員、顧問，中央軍委科學技術委員會顧問等職。從事飛機壽命與可靠性研究。1995年當選為中國工程院院士。

他先后榮獲全國科學大會成果獎2項，國家科技進步一、二等獎各1項，軍隊科技進步一等獎4項、二等獎4項。1990年被評為國家級有突出貢獻的中青年專家。1992年評為全國12名“科技英才”人物之一。1996年分別榮獲首屆全軍專業技術重大貢獻獎和香港第三屆何梁何利基金科學與技術進步獎，2003年獲首屆空軍專業技術重大貢獻獎。先后受聘空軍工程大學教授，北京航空航天大學、西北工業大學、南京航空航天大學兼職教授。是我國十余家航空工業公司和研究所，在飛機定壽方面的技術顧問及多個科技學會的理事。

飛機使用壽命有二大指標：一是疲勞壽命，二是日歷壽命。疲勞壽命是指在重復載荷作用下能夠飛行的小時數；日歷壽命是指飛機在使用環境和使用條件下，能夠完成使用功能的持續日歷時間。每種飛機壽命（指結構壽命，下同）在使用環境和條件下，它是一個客觀存在的定值。這個定值是靠人們用科學的方法，把它確定下來。如果飛機壽命值確定過高，會造成飛機的可靠性降低，給使用部門造成后患；壽命確定低了，會使飛機該具有的性能沒發揮出來，給國家造成經濟損失和財力物力的浪費。因此，合理確定飛機壽命指標，是保障飛行安全和充分發揮飛機經濟效能的關鍵。對此，國際業界的專家、學者，圍繞飛機壽命展開了長期的研究與探索。

張福澤自1966年底步入飛機結構壽命和可靠性的研究領域之后，一直在這一領域的科研一線從事飛機疲勞壽命、日歷壽命的研究工作。在不斷探索、創新、追求和攀登中度過了50多年的科學研究生涯，以發明、開拓和超越演繹著他的“疲勞”人生。

敢于擔當

1962年，張福澤從北京航空學院畢業，分配到航空所當上了一名技術員。1967年春節前夕的一天，已5年沒回老家的張福澤買好了火車票正在宿舍收拾行李準備回家過年。這時，室負責人推門進來說：“上海空軍飛機修理廠有一架飛機修好了，但出不了廠，你去了解一下情況。”于是，張福澤退了回鄉的車票，踏上了駛向上海的列車。到工廠后張福澤了解到，飛機出不了廠的原因是沒有總壽命時間，廠方不敢簽字。他還了解到，因為飛機沒有總壽命，廠方不敢簽字出廠的飛機還有數十架！按理說，情況了解后就可打道回府了。可張福澤的第一反應是：汽車到壽了，開不動，不會有什么大的危險；若飛機到壽了，如果還往天上飛，后果就不堪設想，如沒有到壽而停飛又會造成巨大浪費。“這么多飛機急需定壽，我不能空手而歸，應對國家、對部隊盡點職負點責。”

張福澤明知自己是學飛機設計專業的，對飛機定壽知之不多，況且，領導并沒有交給他這一任務，只是讓他來了解一下情況。此外，他也清楚上級早就給所里下達了為飛機定壽的任務，所里已組織力量進行了多年攻關，還做了飛機的靜力試驗，但一直沒有結果。為了使飛機盡快出廠，他毅然選擇了為飛機定壽。于是，他在上海一待就是3個月，春節也是在工廠過的。張福澤琢磨著：飛機的使用壽命主要是通過疲勞試驗來確定。發達國家給飛機定壽一般采用整機疲勞試驗的辦法，這需要昂貴的設備，耗資巨大，我們能否通過做主要部件的疲勞試驗來確定飛機的壽命呢？

張福澤沒有學過疲勞專業，對應該給哪個部件做疲勞試驗兩眼一抹黑。他凝視著被分解的飛機，腦海的創意左沖右突：一個人能站起來主要靠脊柱、腿骨來支撐，如果這些部位出了問題，就立不起來了。飛機也應該是這樣。以此來分析，飛機的關鍵點就在機身大梁和機翼大梁了。它們就像脊柱和腿骨一樣支撐著整個飛機。最普通的邏輯推理往往孕育著最偉大的科學構想。他突然產生了一個大膽的想法：做機身大梁和機翼大梁疲勞試驗！于是，跑圖書館查資料，找專家請教，蹲車間考察……，3個月后，一份定壽方案和大梁疲勞試驗草圖擺在了所領導的案頭。所領導認為張福澤試驗方案的方向對頭，又是空軍急需解決的難題，可以按其方案進行實驗，并讓他擔任課題組長牽頭攻關。從此，張福澤與“疲勞”結下不解之緣。

然而，做疲勞試驗的關鍵是載荷譜和試驗設備。可在當時，用于疲勞試驗的載荷譜和試驗設備都沒有，一切都得從頭開始研究。張福澤帶領課題組成員到飛行次數較多、飛行科目較全的飛行部隊，在飛機上裝上單向過載自記器，克服重重困難，邊學邊測，并對實測記錄進行整理，創造性地編制出我國第一個實測飛機疲勞載荷譜，為飛機的定壽、延壽研究，提供了真實實測數據和具體測譜方法。沒有試驗設備，他親自設計，并帶領課題組人員自力更生，先后研制成功立式、臥式兩套試驗設備，并獲國家發明獎。沒有試驗廠房就選擇辦公樓一層的一段走廊作實驗室，對機身主梁和機翼主梁做試驗。接著又率領機群延壽課題組成員，苦戰十余年，最終將烏米格-15和米格-15比斯這兩種飛機由原定的總使用壽命1 700飛行小時分別延至3 700和3 200飛行小時，相當于為軍隊新增千余架飛機。該課題1978年獲全國科學大會獎，張福澤位到獲獎名單第一人。

1972年，一架殲-5飛機在一次空戰表演時空中解體，造成機毀人亡的事故。空軍領導憂心忡忡，擔心這類事故再次發生。沒想到1974年，又一架殲-5發生同樣的事故。不僅犧牲了用黃金培養出來的飛行員，而且造成殲-5飛機的全部停飛。事故引起了中央軍委和國務院的高度重視，當時主持軍委工作的葉劍英元帥親自過問此事并聽取匯報。由此，對于飛機壽命的研究也引起了軍方高層的重視和人們的關注。

其實，在空軍平日的飛行中，飛機座艙蓋爆破、起落架折斷等事故也時有發生，各系統附件和電子產品的故障更是層出不窮，這些問題不解決，不僅對飛機飛行安全和出勤率直接產生影響，而且影響我國航空事業的發展。80年代初，上級領導機關決定，把解決航空裝備定壽和可靠性問題這一重大工程交給空軍，原國防科工委撥給空軍7 500萬元，作為當時在研的3個機型開展定壽和可靠性工作經費。

要知道，1980年代前，我國近萬架軍用飛機，無論是外購的、仿制的、自行研制的，由于都是按靜強度設計的，未做疲勞試驗，均未給出壽命時間。因此，使用、修理都存在盲目性，飛行事故屢屢發生。這些飛機急待定壽或延壽。為此，空軍、總參裝備部、總后勤部和國防科工委等領導機關都很著急。為了解決這一重大的歷史遺留的系統工程項目，空海軍和航空部曾多方努力向國家進一步申請經費，但都沒有得到解決，國家還是堅持搞在研的3個新機型的壽命課題。在定壽技術方法上，也沒找到解決這個系統工程項目的辦法，因此這項意義重大的系統工程項目一度無法進行。

在研究經費嚴重不足，上下觀點存在矛盾的情況下，圍繞如何解決近萬架飛機的定壽延壽，在空軍機關幫忙的張福澤日思夜想，寢食不安。他利用調研摸底階段的業余和節假日時間，加班加點把自己在1985年底研究的“系列飛機定壽法”，結合我國在研的新機種和現役的老機種的實際情況，進一步充實和完善，使它在基本原理上更合理，在實際應用上更切實可行。就這樣，又經過幾個月深入研究后，他在一次空軍召開的飛機疲勞壽命專業會上，介紹了“系列飛機定壽法”，引起了到會的專家、教授和空海軍代表的極大興趣，并進行了多次熱烈討論。大家一致認為，這是解決我國積壓40余年的近萬架多系列飛機壽命的有效技術方法。最后大家一致同意，把“系列飛機定壽法”作為我國各系列飛機定壽的指導方法。

所謂“系列飛機定壽法”，就是打破現役老機種和新機種的界線，把全國近萬架、17種機型飛機劃分成若干個系列（即把飛行性能，機體結構受力，結構使用材料，制造工藝等特點相近的機型劃分為一個系列），然后一個系列一個系列的定壽延壽。它是應用張福澤的類比計算壽命原理，根據我國經費少，飛機多，而且又都急需定壽的實際，提出的工程方法。

我國對17種機型近萬架飛機結構定延壽課題是個重大系統工程項目，涉及的技術是當代多領域、多學科，技術密集型的復雜工程技術問題，是一項規模龐大，需全國航空疲勞界幾十個單位，數百人共同奮斗的大系統工程項目，其工作量和難度都是十分巨大的。為了把這個復雜系統工程項目搞好，1986年，總參謀部決定在空軍成立空軍航空技術裝備可靠性辦公室，張福澤任總工程師。

作為總工程師，張福澤不僅要制定17種飛機定壽、延壽的總技術方案，還要深入實際，解決各系列飛機定壽、延壽中的技術難點和關鍵技術問題；不僅要進行技術管理，還要研究一些國際前沿新理論和新技術，以指導系列飛機定壽，提高飛機定壽水平；而且還要把全國航空界疲勞專家們組織起來，根據各系列飛機的具體情況，靈活運用“系列飛機定壽法”，使各系列飛機定壽、延壽工作得以圓滿完成。

在擔任總工程師的十幾年中，張福澤除了吃飯睡覺外，滿腦子裝的都是系列飛機定延壽的問題。為了我國近萬架飛機定壽和延壽，張福澤是馬不停蹄，從南到北，從東到西，日夜兼程。在這期間里，他沒休過一次假，也不知熬過多少不眠之夜。

功夫不負有心人，僅用3個機型飛機的定壽經費（7 500萬元）完成了17個機型近萬架飛機的定壽延壽龐大系統工程項目，不僅創造出近40億元的經濟價值，而且還通過定壽把疲勞斷裂隱患找到，并采取延壽措施，使近萬架飛機再沒有發生疲勞斷裂大事故，確保了飛行安全，產生巨大軍事價值。這不能不說是個奇跡，不能不說是個跨越，不能不說是個創舉！作為總師的張福澤功不可沒！1995年這一課題榮獲國家科學技術進步獎一等獎，張福澤位列獲獎名單第一人！

勇于創新

張福澤是一個不畏艱難勇于創新的人。他認為，一個民族，沒有獨立自主、開拓創新的精神和行動，就永遠是落后的民族；一個科技工作者在自己的工作中，沒有自力更生、勇于探索、開拓創新的意識和行動，就永遠處于被動，永遠創造不出一片屬于自己的天地。

早在20世紀60年代，張福澤帶領團隊，研制成功我國第一臺一次可以試驗3個部件的受力自身平衡疲勞試驗設備。1975年，因殲-5飛機定壽需要，上級決定再做一臺這種疲勞試驗設備。按理說，圖紙資料都是現成的，照葫蘆畫瓢就完事了。可張福澤認為，既然要重做這一套設備，就應該在原來的基礎上有所創新，更為先進。他開動腦筋，苦干兩個月，設計了一套一次可以試驗4個機翼主梁和兩個機身主梁的臥式疲勞試驗設備圖樣，這種試驗設備不僅試驗件數由3件提高到6件，而且取消了原設備的承載支持部件，使6個試驗件巧妙地構成一個自身平衡系統，使試件受力更準確，設備更輕便，使用更簡單。這臺新研制的設備不僅獲得全國科學大會獎，還榮獲國家發明獎。

1977年，空軍裝備部下達了對殲-6飛機增掛炸彈的改裝任務。為此，有關部門成立了一個攻關課題組。根據一般的理論和經驗，這種改裝須改動機體結構，增加加強框或加強肋，使其能經受住增加的巨大負荷。因此在預研中，有人拿出了一個改裝方案，但該方案幾乎要將飛機的后機身結構從新設計和制造。也就是說需大拆大卸，更換部件后再重新組裝。這不僅使改裝難度加大，費用增加，時間周期延長，而且部隊修理廠因設備條件不夠，很難完成。但在沒有更好方案的情況下，有關部門只好決定先行動工，按此方案進行試制。張福澤被調到課題組后，給他的任務是強度計算，通過研究，他總覺得這不是個好方案。經過一番仔細的調研分析和獨立思考，決定另辟蹊徑，用自己創新的“類比計算法”，對飛機總體強度和部件強度進行嚴密的分析、計算后，提出了一個最佳最短傳力的掛彈方案，即將新設計的掛彈裝置，安裝在機翼與機身對接的螺栓上，不動機身、機翼任何結構，就達到了改裝的要求和目的。這個方案一拿到課題組專門會議上討論，即獲得一致同意。在機關支持、課題組共同努力下，很快第一架樣機改裝出來，經過試飛、試投，效果良好，經空軍有關部門研究確定，先行投入小批改裝。實踐證明，張福澤提出的這一改裝方案，不僅避免了大拆大卸和重新設計制造后機身的繁雜工序，節省了許多材料和費用，還使改裝變得簡單方便，不進修理廠，在外場就可施行，改裝周期也大大縮短了。更重要的是，由于機翼機身連接部位的剛度大，且靠近飛機的重心位置，使投彈的命中率得以提升，從而大大提高了飛機加掛炸彈的軍事效益。為此，掛彈改裝項目榮獲了國家科學大會獎。

張福澤除了在工程項目中，喜歡別出心裁琢磨出一些新道道外，在國際疲勞理論領域，也敢于向傳統觀念挑戰，向書本和權威質疑，力求有所創造、有所突破。他先后發表50多篇論文，逐步形成了獨樹一幟的飛機疲勞理論體系。

他在國際上首創“裂紋形成和裂紋擴展壽命的兩個類比計算模型”，為國際疲勞界提供一種新的壽命計算公式和方法，被譽為“張氏類比模型”。在此之前，結構壽命主要靠全尺寸結構的疲勞試驗和壽命計算兩種各自獨立的方法來確定，兩者的結果往往相差很大，很難統一。“壽命類比定壽法”把全尺寸疲勞試驗和壽命計算統一到了一起。

他在國際疲勞領域，首創“代表起落譜”和編制方法。解決了國際上一直沒有解決的“載荷遲滯效應”和“隨機載荷作用點控制”的兩大難題，被譽為“里程碑”、“張氏譜”。

此外，他首先研究出“壽命系數定壽法”，解決了國內外無法減少全尺寸疲勞試驗時間的難題；首先發明了“耗損系數單機壽命監控法”，克服了國內外現行監控無法解決的一些難題；他在壽命分散性規律方面撥亂反正，引領疲勞分散系數發展30年，并得到國內外學術界認可，對提高飛機、交通、汽車、火車、機械以及各類動力裝置疲勞壽命的安全性與可靠性均有重要意義和使用價值；在國際上首次論證出飛續飛載荷譜不能降低分散系數的結論，糾正了國際上與此相悖的錯誤……

由于一系列的重要學術成果受到業界青睞，張福澤先后應邀赴美國、英國、德國、法國、澳大利亞、俄羅斯、日本、新加坡等國參加學術會議、講學和交流，得到國際同行很高的評價。

再攀高峰

雨果曾說：“所謂活著的人，就是不斷挑戰的人，不斷攀登命運的人。”人生能有幾回搏！不拼搏，居里夫人就不會發現鐳，詹天佑就不會筑成京張鐵路……

張福澤在單位也被人稱之為“拼命三郎”。1995年，他當選為中國工程院院士，也是中國空軍第一位院士，但他沒把這一榮譽當成終點，而是把它作為新的起點。1996年，已到花甲之年的他開始研究飛機日歷壽命，決心為攻克這一世界性難題拼一次搏一回。

飛機日歷壽命，是指飛機在使用環境（如溫度、濕度、化學、振動、沖擊及其他介質）和使用條件（如使用應力、維護條件、儲藏條件）下，能夠完成使用功能的持續日歷時間。飛機日歷壽命常以日歷年為單位來表示，它包括飛機結構組裝完成后所經歷的全部日歷時間，其中有飛行時間和地面停放時間（間歇性停放、維護、修理、存儲等）。飛機日歷壽命是新機研制的一項重要戰術技術指標，是飛機二大壽命指標（疲勞壽命和日歷壽命）之一。飛機疲勞壽命的確定，經過國際上諸多專家學者長期的研究探索，已經有一套成熟的試驗方法和計算理論。而日歷壽命的確定，國內外仍沒有找到一種可靠有效的的理論計算方法和相應的試驗方法。目前飛機日歷壽命的給出，尚沒有做真實使用環境下的有效理論計算和試驗，是靠經驗和拍腦袋給出的。這樣無根據的長期使用，使腐蝕部位的損傷值達到或超過容限值導致飛機或其它機械災難的事故發生。如1981年，中國臺灣一架波音747飛機，因機身腐蝕空中解體，造成150人遇難；2002年美國一架F-15飛機由于尾翼腐蝕斷裂在空中解體；2001年我國殲-8飛機由于機身一個主要承力框腐蝕幾乎斷裂，險些摔飛機。1984年，印度一個化學管道由于腐蝕開裂，造成3 000多人死亡，18萬人受重傷；1992年，墨西哥一家工廠的油管道腐蝕泄漏，造成300人死亡，這類腐蝕事故在世界各地每年都屢屢發生，給國家和人民造成重大的經濟損失和人員傷亡。自20世紀70年代開始，特別是80年代以來，隨著現代飛機對使用壽命要求越來越高，特別是隨著飛機在使用中暴露出來的腐蝕和腐蝕疲勞問題越來越嚴重，如何從日歷壽命角度解決飛機使用壽命問題就顯得越來越重要、越來越緊迫，已到達非解決不可的地步。因此各國學術界多年來都把機械日力壽命的可靠確定，當成皇冠上的明珠來追逐，但飛機身處的各種使用環境復雜，編制環境譜與試驗譜難；飛機面臨的各個環境因素多且復雜，進行模擬試驗難；能影響飛機日歷壽命的內外因素太多，理論模型建立難；飛機日歷壽命試驗，不能在使用環境中進行，當量折算難；飛機自身的結構組件就很復雜，而其之間的關聯更加復雜，如何綜合給出壽命難；研究周期長，花費時間精力多，沒有經驗可鑒，取得成果難。由于面臨諸多難題，自1813年《法拉弟定律》創立至今已200多年了，國內外仍沒有找到一種可靠有效的理論計算方法和相應的試驗方法。

為攻克這一世界難題，張福澤設想了要達到的研究目標：即用使用環境參數和試驗曲線，計算給出金屬和涂層的使用日歷壽命；直接用環境參數進行試驗，給出試驗的金屬和涂層日歷壽命。最終能像疲勞定壽那樣，可以通過計算和試驗，分別給出機械（飛機）計算使用日歷壽命和試驗使用日歷壽命。

都說確定目標是運籌帷幄，實現目標是布兵打仗。那么，采取什么技術途徑來實現目標呢？考慮到飛機日歷壽命與腐蝕有很大關系，因此，張福澤剛踏入日歷壽命領域的第一年，主要是從腐蝕學科入手，進行跟蹤學習。為了掌握了解這一學科研究發展情況，他查閱了大量有關資料，發現腐蝕學科已從微觀到宏觀研究的很深、很透，論文如云似海，但仔細分析認為它給不出真實使用環境的日歷壽命。這是因為機械日歷壽命屬多學科的問題，僅靠腐蝕單學科是無法解決的。因此，從踏入腐蝕領域的第二年，他決定另起爐灶，從頭探索。他開始對腐蝕、疲勞、損傷力學、材料和表面工程學等綜合交叉研究。經過20年的艱難探索，終于有了初步結果。2015年5月，他在空軍召開的一次會議上宣讀了日歷壽命研究論文，介紹了研究取得的初步成果，令與會者震驚。同年10月，第五屆全軍高層次科技創新人才工程學術交流會在武漢召開，張福澤應邀到會作了題為《金屬日歷壽命確定的新理論新方法研究》的報告，介紹了在飛機（金屬）日歷壽命研究方面的新突破：研究出金屬和涂層的日歷壽命理論計算公式、金屬和涂層的試驗日歷壽命確定方法、機械總日歷壽命和翻修期計算公式、三維等腐蝕損傷譜編制原理以及機械日歷壽命確定的分散系數和取值。這是一套完整的日歷壽命確定的新理論體系和方法，經真實環境譜的試驗驗證，理論計算和試驗結果吻合，已在少部分飛機日歷壽命確定中得到應用。與會專家認為，這是目前國際其它理論和方法無法達到的，是歷史性突破。

如今，人們應用張院士的上述研究成果，就可以實現像疲勞定壽那樣，通過理論計算和試驗給出飛機（機械）日歷壽命了。《科技日報》對此作了題為《新理論能更準確預計飛機金屬日歷壽命》的報道，國內知名的學術刊物《前沿科學》全文刊載，立即引起了業內學術界及專家的高度關注和贊揚。12月15日《空軍報》在頭版頭條報道了這一消息，12月18日《解放軍報》也予以報道，稱這一研究“開啟了國際機械日歷壽命確定的新篇章”。從1999年開始，張福澤陸續在國內外學術期刊發表與該理論相關論文21篇，一些技術成果申報了國家發明專利，現已獲國家發明專利5項。上述研究成果，目前已在少部分飛機日歷壽命確定中得到應用，取得很好的效果。

其實，對于飛機（機械）日歷壽命的研究，張福澤開始并沒有什么把握，因而沒有向上級或有關部門申請科研立項和經費及助研人員，而是自己在不耽擱現有工作的前提下，利用一切可利用的時間學習研究，推導運算。苦也好，累也罷，失敗也好，寂寞、坐冷板凳也罷，義無返顧，始終朝著自己既定目標勇往直前……

他深有感觸地說，只有拼出來的美麗，沒有等出來的輝煌，愛拼才會贏！

如今，已是耄耋之年的他仍在“疲勞”領域不斷地探索、辛勤地耕耘，繼續書寫壯麗的“疲勞”人生。