輕型通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適航驗(yàn)證技術(shù)研究

楊 康 郭向群 項(xiàng) 松

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)110136）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公務(wù)飛行、商用飛行、空中游覽、私人駕照培訓(xùn)，正受到越來(lái)越多人的青睞，有了足夠大的市場(chǎng)需求，這必然導(dǎo)致為之提供服務(wù)的領(lǐng)域呈現(xiàn)快速發(fā)展的局面。據(jù)測(cè)算，通用航空及其帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)將形成一個(gè)萬(wàn)億人民幣以上的市場(chǎng)容量，通用航空將成為我國(guó)繼汽車(chē)之后的有一個(gè)朝陽(yáng)性的龍頭產(chǎn)業(yè)。但是飛機(jī)的設(shè)計(jì)和研制是一個(gè)龐大而復(fù)雜的過(guò)程，尤其是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，而輕型通用飛機(jī)卻不同于軍用飛機(jī)和大型民航客機(jī)，軍用飛機(jī)和大型民航客機(jī)會(huì)有繁瑣的試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作，將消耗巨大的人力和財(cái)力，造成飛機(jī)研制周期的延長(zhǎng)，輕型通用飛機(jī)的研制講究的是研制周期短、研制成本低，這也是輕型通用飛機(jī)研制過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和非常重要的指導(dǎo)思想。

1 飛機(jī)靜力試驗(yàn)概述

飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)的目的在于：1）確定結(jié)構(gòu)在一定靜載荷作用下的應(yīng)力分布和變形形態(tài)；2）確定結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性；3）確定結(jié)構(gòu)的最大承載能力，即強(qiáng)度；4）從承力的角度評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)承受靜載荷的合理性；5）驗(yàn)證理論分析和計(jì)算方法的可靠性，或由實(shí)驗(yàn)提出新的理論和計(jì)算方法。

結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)同理論分析和計(jì)算一般是互相驗(yàn)證、互為補(bǔ)充的，但有時(shí)由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和受力的特殊性而無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的理論分析或計(jì)算，結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)就成為確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性的唯一的方法。

2 適航審定性研究

由于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)飛機(jī)飛行安全的重要性，因此，世界各國(guó)的飛機(jī)適航審定部門(mén)對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和性能都有明確的規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)輕型飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)借鑒的是美國(guó)頒布的適航規(guī)范ASTM F2245-11《輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和性能的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，其中對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求有明確的條款規(guī)定：1）第5.1.1.1條：強(qiáng)度要求以限制載荷（使用中預(yù)期的最大載荷）和極限載荷（限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)）來(lái)表示。2）第5.1.3.1條：結(jié)構(gòu)必須能承受限制載荷而無(wú)有害的永久變形；在直到限制載荷的任何載荷作用下，變形不得妨害安全運(yùn)行。3）第5.1.3.2條：結(jié)構(gòu)必須能夠承受至少三秒鐘的極限載荷。

對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)要求如下：第X2.1條：機(jī)翼對(duì)稱(chēng)載荷試驗(yàn)；第X2.3條：機(jī)翼非對(duì)稱(chēng)載荷試驗(yàn)（包括：剪切、扭轉(zhuǎn)）；第X2.4條：后機(jī)身載荷試驗(yàn)（包括：對(duì)稱(chēng)水平尾翼載荷、垂直尾翼載荷）；第X2.5條：前機(jī)身載荷試驗(yàn)。

根據(jù)以上適航條款對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求可以看出，飛機(jī)適航審定工作更關(guān)注的是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，而不是理論分析，理論分析只能作為參考。

3 國(guó)內(nèi)外適航驗(yàn)證情況

國(guó)外適航審定工作起步較早，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適航驗(yàn)證方面經(jīng)驗(yàn)豐富，另外，全尺寸結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)比較復(fù)雜，從40年代開(kāi)始全尺寸結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)都通過(guò)杠桿系統(tǒng)加載，并采用多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，保證各加載器能按預(yù)定比例加載，在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)能自動(dòng)卸載，以避免破壞部位的繼續(xù)擴(kuò)大；目前，國(guó)內(nèi)外的靜力試驗(yàn)已采用電子計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)液壓伺服系統(tǒng)自動(dòng)閉合回路協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，有多個(gè)加載器、幾百個(gè)加載點(diǎn)、幾百個(gè)測(cè)量通道、幾千個(gè)應(yīng)變片，從而導(dǎo)致整個(gè)飛機(jī)靜力試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、龐大、成本高昂。而一般輕型飛機(jī)僅用專(zhuān)用夾具對(duì)機(jī)翼或相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，隨著飛機(jī)更改需不斷制造新的夾具，且不易進(jìn)行不同受載情況的綜合試驗(yàn)。同時(shí)不易滿(mǎn)足試驗(yàn)部件的邊界約束條件要求。

在國(guó)內(nèi)，輕型通用飛機(jī)的研制也取得了巨大的成就，也衍生出了不少關(guān)于輕型通用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的成果。由沈陽(yáng)航空航天大學(xué)與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的“銳翔”輕型電動(dòng)飛機(jī)（見(jiàn)圖1）是國(guó)內(nèi)第一款以ASTM F2245-11作為適航審定基礎(chǔ)并且已經(jīng)成功取得適航證書(shū)的復(fù)合材料雙座電動(dòng)輕型飛機(jī)。根據(jù)適航條款要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)內(nèi)容，研制出了輕型飛機(jī)靜力試驗(yàn)臺(tái)并且已經(jīng)成功的應(yīng)用到了的適航取證工作中。該試驗(yàn)臺(tái)能根據(jù)飛機(jī)實(shí)際的力的傳遞情況，調(diào)整固定支撐桿的位置，對(duì)飛機(jī)相應(yīng)部分的位置固定，施加約束，然后再對(duì)試驗(yàn)考核部位施加載荷，從而真實(shí)的模擬飛機(jī)在空中飛行時(shí)的受力情況?？蛇M(jìn)行輕型飛機(jī)的全機(jī)試驗(yàn)中機(jī)翼、平尾、垂尾加載等試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)所需設(shè)備、器材少，降低了試驗(yàn)成本，大大減少了靜力試驗(yàn)前期繁瑣的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，縮短了試驗(yàn)準(zhǔn)備周期，符合輕型小飛機(jī)研制過(guò)程中成本低廉的要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度靜力試驗(yàn)是飛機(jī)適航審定工作中不可或缺的部分，為了減少輕型通用飛機(jī)在試驗(yàn)中的成本，大大減少靜力試驗(yàn)前期繁瑣的試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，縮短試驗(yàn)準(zhǔn)備及研制周期，必須根據(jù)輕型通用飛機(jī)的特點(diǎn)，研制出多功能靜力試驗(yàn)臺(tái)，才能符合輕型小飛機(jī)研制過(guò)程中成本低廉、周期短的要求。

用于輕型通用飛機(jī)靜力試驗(yàn)的多功能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求包括：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2）成本低廉；3）操作方便；4）功能多樣，能滿(mǎn)足全機(jī)試驗(yàn)，也能滿(mǎn)足部件級(jí)試驗(yàn)（包括：機(jī)翼、平尾、垂尾等）；5）能采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括應(yīng)變、位移。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于國(guó)內(nèi)通航產(chǎn)業(yè)起步較晚，輕型飛機(jī)的適航審定工作經(jīng)驗(yàn)不足，因此要多吸取國(guó)外適航審定成功經(jīng)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)，“銳翔”輕型電動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適航審定成果，可以為國(guó)內(nèi)其他通用飛機(jī)研制單位提供一個(gè)很好的借鑒。盡管?chē)?guó)內(nèi)在飛機(jī)適航審定方向上起步較晚，相比國(guó)外還有很長(zhǎng)的路要走，但隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)低空空域的逐步開(kāi)放，國(guó)家對(duì)通航產(chǎn)業(yè)的不斷鼓勵(lì)和政策上的支持，根據(jù)我國(guó)的實(shí)際國(guó)情，借鑒國(guó)外的適航審定經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的通航產(chǎn)業(yè)必將迎來(lái)大好的機(jī)遇。

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