为了避免飞机失事,工程师们会进行成千上万小时的极限试验,而这还远远不够。机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍,也就是说要做到3倍寿命,才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。
大家好,我叫刘峰,来自中国民用航空飞行学院,非常高兴来到这里和大家分享我的航空故事。对中国人来讲,其实中国古代很早就有飞天的梦想。敦煌壁画是从北朝到元代,历经数十个朝代形成的壁画。从这里就可以看到,我们的祖先一直都有飞天的梦想。
明代的时候,有一个叫万户的人,他把火箭绑在了椅子上,希望借助火箭的动力飞上天空。1903年,莱特兄弟造出了第一架有动力的、密度上重于空气的飞行器,随后他们进行了一次持续的飞行,这就是现代航空史的开端。
在同一时期,中国飞行家冯如制造了两个型号的飞机,一个是冯如1号,一个是冯如2号。他从美国回到中国,在中国进行了试飞。遗憾的是,1912年,冯如在一次试飞中,由于飞机失事失去了自己的生命。
在那个年代,人们在考虑飞机安全性的时候,主要考虑的是飞机飞上天之后会不会坏,机翼会不会断裂,机身上面会不会有裂纹等这类问题。受限于当时的技术条件,在地面做试验的时候,他们用的是沙袋。这些东西可以非常好地模拟分布载荷的效果。
强度是指结构抵抗破坏的能力。飞机的升力是飞机最主要的载荷之一,升力其实就是利用机翼划过空气的时候,上下翼面之间的压差来产生的。机翼上表面气流的分离是升力产生的基本原理。
航空先驱们发现,最早期的一部分飞机只考虑了强度问题,飞行中还会出现其他问题,比如说飞行中机翼的变形量太大。高速飞行的时候,如果机翼太软,机翼会产生振动,振动会包含两个模态,一个是弯曲的模态,还有一个是扭转的模态。吸取了这个教训之后,工程技术人员开始关注刚度的问题。
考虑到强度和刚度之后,出现了DC-3和彗星等型号的飞机,但这些飞机在后续的运营中都出现了失事,甚至结构破坏的情况。工程技术人员在最开始研究飞机的时候,忽略了疲劳问题。金属材料疲劳,出现裂纹而造成的事故是不可忽视的。
飞机在高空飞行的时候,如果突然出现结构爆裂,会导致舱内气压突然下降,人的肺部气体来不及排出,就会引起肺出血。根据当时的现象也可以判断,飞机出现了空中解体。
在解决疲劳问题的时候,利用数值计算方法,模拟裂纹从开始产生到不断扩展的过程。飞机的机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍,才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。
同一时期,中国也有运-10飞机,但由于财力有限,该项目不得不停止。飞机在出厂时就是带有缺陷的,铝合金在原材料冶炼过程中可能存在气孔,制造过程中加工刀具可能在工件上留下的刀痕,这些都给构件带来了初始的损伤。
在陆萨卡空难后,专家提出了损伤容限的概念,认为飞机在出厂时本身就是带有缺陷的,应该采取措施来限制缺陷的发展。我们现在借助计算机技术和计算流体力学技术,可以很准确地计算出一架飞机在穿越空气的时候,它表面的速度场是怎样分布的。
声音也是一种载荷,设计时需要考虑这些问题。我们现在制造飞机,除了常见的铝合金,先进飞机上往往会采用复合材料。复合材料的强度高,重量轻,使飞机的性能越来越好。
除了飞机本身,还有一个很重要的因素就是人为因素。有统计数据显示,70%~80%的航空事故是由于人为原因造成的。为了保证民航飞机的安全,我们现在有几个适航体系,飞机运行过程中还会遇到鸟撞、恶劣天气等问题。
未来的飞行会是空天一体,进入到临近空间,以高马赫速度飞行,快速到达另一个目的地,将极大地改变我们现在对距离的认识。感谢大家的聆听。