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静力试验——飞机的“体能测试”!

什么是静力试验?

静力试验是飞机研发过程中重要的地面试验,通过约束装置和载荷加载系统,模拟飞机运行中所受的空气动力、发动机推力、地面起落架反作用力等载荷和其他环境条件,验证飞机结构能够满足运行过程中可能遇到的所有载荷情况下的强度要求。

为什么要进行静力试验?

静力试验的主要目的是要验证飞机结构的刚度、强度等指标符合飞机的设计标准,强度是指结构承受载荷时抵抗破坏的能力,刚度是指结构在载荷作用下抵抗变形的能力。静力试验对确保飞机的安全性有着重要的意义。

静力试验“神马”样儿?

早期的飞机静力试验!

据史料记载,500多年前,著名的意大利画家、发明家达·芬奇及物理学家伽利略先后做过全尺寸的结构静力试验。虽然那时的试验设施很简单,试验方法也有些粗糙,但相比复杂构件的受力分析与繁杂的计算,静力试验却能直接得出结论:结构受力下会不会破损,大变形下会不会折断或失稳。

早期的飞机静力试验,采用沙袋和铅块模拟飞机的气动均布载荷,用绳子吊沙袋来模拟集中载荷,虽然看上去有些可笑,但效果却出奇地好。到了上世纪40年代,随着飞机的尺寸越来越大,飞行速度越来越快,一种新颖的飞机杠杆加载系统崭露头角,使全机静力试验的面貌焕然一新。此后,静力试验的方法逐步规范,试验结果更加准确。

直击试验现场!

走进全机静力试验大厅,你一定会为眼前的场景所惊叹:一架飞机悬挂在高大、明亮的大厅中央,机体被大大小小的“∏”形杠杆团团围住。因测试点距离不一,∏形杠杆的跨度也有所不同。杠杆之间环环相扣,形成一个钢质的“网”,十分引人注目。这种沿袭了几十年的杠杆系统,简单又实用,既能真实模拟机身、机翼、尾翼上的均布载荷,也能通过杠杆跨度和间距的差异,模拟出大小各异的作用力。它与液压控制系统、液压作动器组成闭环加载伺服回路,由计算机控制,令作动器输出到“杠杆系统-飞机机体”上各点的载荷与理论计算值达到非常吻合的地步。

成千上万的加载点受力后,机体内产生的应力、应变会是怎样的呢?这是试验最想获取的主要数据。其中的奥妙就藏在那遍布机体的密密麻麻的白色胶带中。实际上,胶带内紧贴机体表面的是能敏感测出应力、应变的电阻应变片。在外力作用下,应变片会产生电信号,并直接反映在计算机上,描绘出一条条多姿多彩的应力、应变曲线,逼真地显示出各个部位的强度、应力等测量结果。

如同人的体能检测一样,全机静力试验主要是测试飞机结构承受外部负载的能力。其检测项目之多、规模之大、技术含金量之高,令人难以想象。静力试验中选用的载荷涵盖飞机起飞、爬升、巡航、进场和着陆的全过程,最大载荷常常产生于几种状态的叠加中,需要反复综合权衡。

试验中常伴随不可预测的安全隐患,遭遇突如其来的风险。设计师需要从以往的大量经验教训中总结出行之有效的操作程序:先以20%—30%的使用载荷进行预加载,以消除加载系统之间的间隙。然后,逐渐、缓慢地施加使用载荷。在试验过程中,还可能出现很大的局部结构变形。此时,应立即卸载检查,限制最大变形不能超出总挠度的5%,也不能有大于0.2%的残余永久变形。

飞机做静力试验的几个重要阶段! 

首飞前!

新研制飞机的首次飞行,充满着不可预知的情况。为确保首飞万无一失,大型客机必须完成增压舱增压、前起连接、主起连接、全机情况、垂尾和方向舵等一系列静力试验。一般情况下,飞机首次飞行不会飞出大机动和大过载,也不会冲出飞行包线之外,通常机体的最大载荷不超过使用载荷的67%。通过全机静力试验考验的现代客机,首飞成功才有保障。

首飞后!

首飞成功后,一个个静力试验项目接踵而至!先易后难,先小后大。一架客机的静力试验项目达20多项,持续时间较长,被戏称为飞机试验中的“马拉松”。其中,2.5G全机稳定俯仰静力试验是难度最高、风险最大的项目之一。它模拟飞机遇上了突风、紊流的袭击,飞行员情急之下操作过猛,致使飞机承受大于2.5倍的极限载荷。试验除显现这惊险的情景外,还需持续3秒钟。一旦操作不当,极容易失败,前功尽弃。

全机静力破坏试验是最令人惊心动魄的试验。在逐步加载超过使用载荷之后,便进入了扣人心弦的几分钟,载荷一点点地在增加,直至一声巨响的那一刹那。这一刻是祸还是福?加载数据会告诉你。记得上世纪80年代国产首架大型客机“运十” 全机静力破坏试验的加载数据定格为105%。这是一个非常理想的数字。大于它,说明飞机的强度设计偏于保守,机体重量过大;低于它,安全性差。破坏试验虽然耗资巨大,但它是飞机研制的必经之路。

(AOPA云:熊庆平)

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