飛機的冰雹抗撞設計

王軍朋

每次有飛機在空中被冰雹撞擊的新聞報出，都會有人問：現代科技這么發達了，為什么躲不開冰雹？

其實，飛機在飛行過程中，冰雹是相對飛機作高速運動的，因而即使飛行員看到有冰雹，也不可能來得及做出反應來躲開冰雹的撞擊。

而機載氣象雷達也只能探測到與“水汽”相關的天氣現象，比如大雨、濕雪、厚厚的云層等等，并不能給飛行員一個前方是否有冰雹的準確報告。飛行員只能根據回波和邊緣輪廓，結合專業知識和經驗進行主觀判斷。最新的雷達技術也只能根據氣象學模型“預測”、而非探測到冰雹的存在。所以，即使是具備冰雹預測功能的最新型雷達，依然無法保證不遺漏任何冰雹的存在。

肉眼看不到，雷達掃描不出來，所以飛機在天上要完全規避冰雹的襲擊，幾乎是不可能的。為了保證飛行安全，飛機在設計中都要加入抗撞設計。

冰雹撞擊的特點

抗撞設計怎么搞？防護緩沖加疏導！

盡管民用飛機在航線選擇上會盡量避免氣象條件較差的、易出現冰雹的區域，但航行中遇到冰雹襲擊有時卻是不可避免的。冰雹災害因其突發性強、來勢猛、數量多、強度大的特征，有可能導致飛機結構被破壞，影響飛行安全性，威脅成員安全并可能造成經濟損失。

一般而言，飛機風擋、機頭鼻錐、機翼前緣、發動機進氣道、油箱、雷達整流罩、駕駛艙門窗等處迎風面積大，最容易受損，且各部分破壞模式不盡相同。如風擋、艙門窗，猛烈的冰雹撞擊能夠在較短時間內使這些部位產生裂紋，在極端情況下甚至可以擊穿玻璃、危及生命安全。對于機頭鼻錐處，高強度的大量冰雹撞擊，可能直接導致機頭的錯位甚至直接斷裂脫落。而且，在同一次冰雹事故中，多種損傷形式可能集中出現。

同飛鳥撞擊相比，冰雹撞擊有如下三個特點：

一是冰雹撞擊必是小質量體群體撞擊;

二是冰雹剛度較鳥體大，在相同速度和質量的情況下，撞擊載荷更高;

三是冰雹撞擊威脅空域更廣，在0～10千米高度范圍內都可能發生。

冰雹撞擊研究的難點

近年來，無論是美國的FAR、歐洲的JAR，還是我國的CCAR，都對飛機結構提出了專門的要求，以保證結構受到大量冰雹撞擊后仍能保持其安全飛行和著陸的功能。1984年FAA在咨詢通報《復合材料飛機結構（AC20-107A）》中，對包括冰雹在內的離散源撞擊飛機結構的沖擊安全問題有專門的規定，所有即將投入商業運行的飛機的設計必須嚴格滿足相應的離散源撞擊指標。中國民用航空規章第25部《運輸類飛機適航標準》 [CCAR-25R4]也規定了結構元件不能因包括冰雹在內的離散源損傷而失效。

冰雹與靶體碰撞的微觀過程發生在區間很小的毫秒級時段內，沖擊特性上更多體現為非線性的復雜沖擊動力學問題。由于相對速度較高，所以靶體在碰撞中將承受強動載荷的沖擊，需采用沖擊動力學分析手段，才能夠更準確客觀地對這個問題進行相對準確的分析。

目前研究冰雹的手段主要有工程算法、數值分析和物理實驗三種，數值分析與物理實驗是研究的主流手段。

冰雹撞擊問題研究的復雜性和技術難點體現在如下三個方面：

冰雹從與靶體的接觸到最后破碎變形，具有大變形、幾何非線性的特點，冰雹材料本身因其復雜晶體結構很難被模擬，同時又因為應變率的波動而呈現出很強的非線性特征。

高速撞擊過程會給冰雹粒子產生較大的應變率，而應變-應力曲線的不明確性使其本構模型很難描述，材料參數不易獲取。

冰雹撞擊地面模擬實驗較為困難。主要困難在于自然冰雹為多晶結構，而實驗室人工模擬冰雹多為單晶，兩者力學屬性差異性較大。此外，真實撞擊中為多冰雹大面積連續撞擊過程，很難在實驗室環境中進行模擬。

抗冰雹撞擊設計的三種思路

當前民機抗冰雹撞擊設計有三種主要思路：

對于內部電子元件和管路結構，提高蒙皮的抗沖擊能力或前端設計防護結構，以避免或減輕冰雹等離散源的撞擊威脅;

采用蜂窩等吸能結構填充，減緩撞擊載荷;

采用能量疏導方式，將撞擊動能分流導出，降低結構失效破壞風險。

目前，我國在民機抗冰雹撞擊研究方面已經取得了一定的成果。在實驗能力方面，中國航空工業集團強度所自主創新設計了冰雹撞擊實驗系統，填補了航空工業在研究冰雹撞擊研究實驗能力方面的空白;掌握了實驗室人工模擬冰雹制備技術，廣泛應用于結構抗冰撞測試與驗證。目前該系統在飛機結構、發動機抗冰雹撞擊驗證等方面取得廣泛應用。

在分析水平方面，強度所建立了冰雹動態本構、冰球數值模型，進行了大量冰雹撞擊飛機結構動響應的數值分析，有力地支撐了結構抗冰雹撞擊設計評估。