主题:运十就是当时中国最需要的飞机 -- qq97
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家园 (之六)运十的安全性

1950年代以前,飞机的结构设计一直是基于静力强度和安全寿命设计原则。二次大战以后,飞机进入60-100吨级的四发喷气式飞机时代,彗星号和波音B47轰炸机的连续失事,暴露出二次大战前后时期的飞机设计原则存在严重不足,于是从50年代中期起,破损安全原则被引入到飞机结构设计,破损安全原则是指当飞机的主结构损坏时,主结构的负载可由其相邻结构承载,使得飞机的飞行特性不致大幅恶化,这样就可以让飞机的损坏可以在飞机的使用中被发现并解决,波音707,波音737都是根据破损安全原则设计的。

直到1970年代中期,安全寿命+破损安全都是国际上飞机结构设计的主流方法,运十在立项之初就决定采用破损安全设计原则。到70年代中期,破损安全的方法进一步发展成为损伤容限原则,所谓损伤容限原则,就是承认飞机的结构(即使是新飞机)不是完美无缺的,因为制造缺陷或其它原因会存在不大的损伤裂纹,但是,设计应保证飞机的余留强度仍能保证飞机安全地飞行,而且,必须要保证飞机结构的疲劳裂纹的扩展速率很慢,以使得飞机构件的裂纹在扩展到会快速发展的临界长度之前被飞机的下次定期检修发现、修复或更换。这样保证飞机结构安全的问题就变成了如何正确地、适当地选择构件材料采取止裂措施和确定飞机定期检修时间和检伤策略。

运十设计组按10年使用3万小时寿命的要求,贯彻了抗疲劳设计细则:

全机疲劳试验——给出运十的安全寿命。本来计划用03号样机做全机疲劳试验,03样机已完成2/3的整机装配,但因运十下马,未能完成疲劳试验;

广泛采用多路传力,控制应力水平——破损安全原则,主结构损坏时其负载可由其相邻结构承载;

选用塑性较好的第二代7075航空铝作为主承力构件的选材——飞机构件韧性好,对裂口不敏感,裂纹少且发展速度慢;

敏感部位设置止裂带,避免元件的刚度突变——延缓裂纹扩展生长的速度;

采用抗疲劳紧固件以及喷丸、冷作孔等措施——强化工艺,消除构件应力,减少构件初始存在的缺陷和裂纹;

针对关键部位进行大量疲劳试验和寿命计算,对运十飞机真实结构的一些全尺寸试件和连接件进行了试验,研究它们的剩余强度和疲劳裂纹扩展特性——给出预测飞机结构的剩余强度和寿命的计算方法,作为确定飞机定期检修周期的依据。

以上设计原则的实施,在国内基本上都属首次,而且应该已经超过了波音707的原型机的安全性设计水平。因为707的原型机367-80是在1954年 5月总装下线的,7月首飞,而彗星号飞机1954年1月第一次失事,1954年4月第二次失事,4月12日彗星号适航认证被撤销。彗星号失事原因是在第二次失事之后才查清的,1956年2月美国民航局才修改适航认证规范,增加了破损安全设计原则。因此,在波音707第一架原型机367-80设计和制造时,还没有破损安全设计原则。比波音707早一代的波音四发喷气式轰炸机B47,在1957-58两年间就坠毁了49架,121人丧生,而且波音707的前身不管是367-80,还是KC-135空中加油机连舷窗都没有,要知道彗星号飞机正是由于舷窗转角处的应力集中产生的微小裂纹最终导致了飞机空中解体。所以波音707应该是在后续商业订单的客机的设计和制造过程中,逐渐引入破损安全原则的,而运十从一开始就按破损安全原则设计,在70年代中期又借鉴引入了损伤容限原则。

所以运十设计组对飞机结构的疲劳强度极为重视。比如为了追赶进度,上海方面提出铸铝ZL-70代替加工难度大的舷窗井字框LD-10锻件,马凤山坚决不同意,除了要求必须静态强度一致,还要求必须要做疲劳试验,并且要作为一级新材料上报三机部批准。1979年以后,为了挽救运十的命运,一次常见的项目管理方和技术方的意见分歧,被上飞包装成与四人帮爪牙的斗争,以洗清运十与四人帮的关系,可叹的是,“四人帮”最终向科学低了头,而在科学的春天运十却被闷死,连“斗争”的对象和机会都没有。

还有一个流传颇广的谣言,说是运十试飞后大梁严重变形,甚至有板有眼地说从拉萨下来后飞机变形长达1米。这个谣言的胡说八道之处在于,大梁变形恰恰是运十最不可能发生的事,因为运十前3架样机用的是LC4铝合金,它的特点就在于强度高,但韧性差,裂口敏感度高,如果它真的产生那么大的变形,那么在这么大变形之前飞机早就该断裂解体了。

运十设计组希望采用的是正在同步研制的强度高,韧性好,裂口敏感度低的LC9,即第二代7075航空铝合金。我在这个帖子

运10、歼10与国产7075

里谈到了运十所用的铝合金的问题,这里做一些补充,国产的第二代7075航空铝(LC9)在1978年2月通过了三机部和冶金部的鉴定,LC9综合性能与7075相当,材料韧性、缺口敏感性、周期强度等指标优于LC4,且已在两型飞机上试用,材料列举了采用试制中的LC9做水平尾翼主要承力壁板和前起落架的例子,试用情况良好,受试飞机甚至曾单独用该起落架迫降,迫降后起落架完好无损,说明LC9可用于飞机的各种受力构件,并且LC9当时已可批量生产。运十是1980年首飞,如果运十研制继续,那么在完成03样机的疲劳试验后,后续的04架及以后的样机可以逐步使用国产7075(LC9)替换过渡的LC4。另外运十的大型铝锻件, 如机翼与机身对接接头、承力的31 框、42 框等,都在3万吨模锻水压机上生产,冶金质量和性能都能满足设计要求。

我是做产品开发的,像运十这样认认真真地正向开发,设计、分析、试验、制造工艺整个过程完备齐整,把事情做得明明白白,产品就能比较顺利地达到期望的目标。毕竟认知的深度到位了,科学的原理并不会对中国人格外的严苛。

怀疑运十的安全性可以理解,毕竟任何一架飞机在人们心中的安全性,都是要靠长期的飞行安全记录建立的。但我们也要清楚,不管是在当时,还是现在,怀疑运十的安全性都是没有任何的证据的。而在飞机上天之前,明明白白的正向设计和制造过程,完整严谨的试验,清晰准确的问题发现和分析解决验证过程,都可以让人们对产品抱有信心。

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支撑飞机结构设计原则从安全寿命到破损安全再到损伤容限的,是断裂力学的发展。

国际上断裂力学产生于1950年代,并在1960年代得到快速发展,断裂力学发展的大的背景,就是在二次大战以后,人类利用的能源从煤转向石油和原子能,人们利用能源的密度和持续时间的飞速提升,产生了对金属材料的挑战,更准确地说,产生了对材料科学除了静态强度,还有疲劳强度的巨大挑战。从大型喷气式飞机,到发动机、大型汽轮机组、大型压力容器,都是如此。

正如我在帖子运十就是当时中国最需要的飞机(之四)中所说,

以上几个项目,代表了当时(1970年前后)的中国工业化进阶之路:

一,希望用十年左右的时间,将中国的工业化水平从(苏联)二次大战前的水平跃升到欧美国家50年代末至六十年代末七十年代初的水平,

二,与156工程不同的是,这次工业化水平的跃升,是由中国自主的技术体系完成的;

三,过往庞大的国防投资形成的技术能力,开始转为民用,这条路也是美国走的道路;

既然瞄准的是国际1950年代末至1960年代的工业话水平,那么国际工业在1950-1960年遇到的挑战在1970年代的中国同样会遇到,运十不过是这整个工业化进阶过程的一部分。

中国是在1970年前后引入断裂力学的,甚至可以说,正是以运十为代表的航空工业,首先引入的断裂力学,从此中国的力学界、航空工业界、机械工业界、金属材料界开始了断裂力学及其工程应用的研究,以解决飞机结构和构件的损伤容限及定寿,汽轮机高、中压转子,压力容器,机车铸铁曲轴的安全评定,电站大锻件的缺陷评定,大型氨合成塔的安全分析等工程问题。

除了在运十项目用断裂力学方法指导了设计和制造过程,由于运十下马,后面的工作并没有做完,但航空工业界的其它工作可以对运十未完成的部分有所提示。航空界应用断裂力学对现役飞机的耐久性和损伤容限进行了评定:

1973年左右,一些歼击机的起落架焊接构件上发现了许多裂纹,组建的技术团队经过了两年的研究发现,如果采用恰当的焊接工艺,含裂纹构件可以多次补焊而不会降低材料的断裂韧性,而且构件每次补焊后疲劳寿命之和近似等于基体材料的总寿命。试样试验和全尺寸起落架试验的结果证实了这个结论。最后,这种补焊技术不仅节省了大批更换新起落架所需的费用,而且可以使起落架损伤了的飞机得以迅速的修补并重新服役。

另一个例子是,在一些运输机的窗口处发现了一些长度约0.2mm的径向裂纹,为了保证安全飞行,必须判断在下一次大修之前,这些带裂纹的飞机能否继续安全飞行。为此,研究人员根据该型飞机成都至拉萨航线的实测数据,编制了载荷谱,并根据载荷谱编制所考察部位的结构应力谱,同时进行裂纹扩展计算,以求得裂纹从初始裂纹长度扩展到临界裂纹长度的剩余寿命。研究结果表明,含裂纹结构的剩余寿命不少于9000飞行小时,而规定的大修周期为6000小时,因此这些带有裂纹的飞机可以继续飞行,毫无疑问,这大大提高了这些飞机的经济性。

第三个例子是,中国空军使用的一些老机种是1950-60年代设计的,那时损伤容限设计的概念尚未引入,为了飞行安全,需要对这些老飞机进行损伤容限评价。为此,西飞和航空强度研究所的研究团队对一些飞机的主要结构,如机翼主梁,进行了断裂分析和试验,试验表明,主梁结构可以满足必须的剩余强度和使用寿命,这些飞机可以继续安全地飞行。

飞机的损伤容限原则不仅包括了设计和制造阶段,还涵盖了飞机定型服役后的整个生命周期内的维护周期的确定和检伤维护策略,运十下马,只做了前面部分的个工作,后面的部分并未完成,但上面的例子表明,损伤容限原则的贯彻执行,断裂力学研究在飞机结构设计上的应用,在飞机维护周期确定和检修策略的应用,不仅可以保证飞机(包括已服役的旧飞机)飞行的安全性,还可以大幅提升飞机(包括已服役的旧飞机)运营的经济性。

与运十类似,国内发电汽轮机组的研制也从1950年代的几万千瓦,到1960年代的十几二十万千瓦,到1970年前后跨上了30万千瓦的台阶,也是大约相当于国际五十年代末六十年代初的水平。比运十略晚一点,1970年代中期,国内机械工业界也应用断裂力学研究开展了对大型发电汽轮机组的高中压转子锻件的断裂分析和安全评定。这些一直持续发展的研究支撑了1970年代国内掌握了30万千瓦机组的研制技术并投入了商业应用,而且在80年代中期支撑了秦山一期、二期的国产30万千瓦核电汽轮机组的研制和商业运营。

高压容器的断裂、爆炸也会引起严重的后果。也是从1970年代中期起,国内应用类似于损伤容限的原则,开展了对大型氨合成塔,高压锅炉,球形储罐等大型压力容器的安全分析和寿命评估工作,在断裂力学研究的基础上,相继制定了弹塑性断裂韧度和测试方法的国家标准,压力容器缺陷评定规范, 以及含缺陷压力容器的安全评定的标准与指导文件。这些研究成果和标准规范的实施取得了巨大的社会效益与经济效益,对我国的生产安全、反恐安全和国防建设也起到了重要作用。在20世纪80年代,我国发生锅炉压力容器爆炸事故约5000 起,伤亡近万人,居劳动安全事故第2 位,其中恶性重大事故比工业化先进国家高近百倍,但随着缺陷评定规范标准的建立以及国家质量安全保障体系的形成,我国已成为国际上压力容器的事故率最低的国家之一。

由于项目下马,运十在整个设计、制造、定型、服役过程应用断裂力学、损伤安全的原则以保证飞机的安全性和经济性的工作没有走完,但断裂力学研究和类似于损伤安全原则在中国其它与大型飞机相似的重大装备行业的应用结果和这些行业的发展历程表明,运十及其后续机型的安全性和经济性是可以解决的,如果不是自行中止,中国的大飞机产业是可以发展起来的。

通宝推:阴霾信仰,呆头呆脑,西安笨老虎,瓷航惊涛,
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