劉峰丨像人一樣，飛機也會疲勞

在實驗中，

機身機翼結(jié)構(gòu)要做到比實際壽命多2倍，

也就是說要做到3倍壽命，

才能證明這架飛機的設(shè)計是合理的、安全的。

劉峰中國民用航空飛行學(xué)院教授

格致論道第30期 | 2018年9月20日 四川

大家好，我叫劉峰，來自中國民用航空飛行學(xué)院，非常高興來到這里和大家分享我的航空故事。

對中國人來講，其實中國古代很早就有飛天的夢想。

▲ 敦煌壁畫《飛天》

這是一幅敦煌壁畫——《飛天》。敦煌壁畫是從北朝到元代，歷經(jīng)數(shù)十個朝代形成的壁畫。從這里就可以看到，我們的祖先一直都有飛天的夢想。

▲ 明代萬戶雕像

明代的時候，有一個叫萬戶的人，他把火箭綁在了椅子上，希望借助火箭的動力飛上天空。當(dāng)然受限于當(dāng)時的技術(shù)條件，沒有能夠?qū)崿F(xiàn)，他也因此失去了自己的生命。

1903年，萊特兄弟造出了第一架有動力的、密度上重于空氣的飛行器，隨后他們進行了一次持續(xù)的飛行，這就是現(xiàn)代航空史的開端。

▲ 萊特兄弟和他們的飛機

▲ 中國飛行家馮如

在同一時期，中國人在干什么呢？我們有沒有人也在從事相關(guān)的研究呢？其實是有的。他就是馮如，一位中國飛行家。

當(dāng)時，馮如制造了兩個型號的飛機，一個是馮如1號，一個是馮如2號。他從美國回到中國，在中國進行了試飛。遺憾的是，1912年，馮如在一次試飛中，由于飛機失事失去了自己的生命。

在那個年代，人們在考慮飛機安全性的時候，主要考慮的是飛機飛上天之后會不會壞，機翼會不會斷裂，機身上面會不會有裂紋等這類問題。

▲ 地面實驗使用沙袋模擬分布載荷

受限于當(dāng)時的技術(shù)條件，在地面做試驗的時候，他們用的是沙袋，這些東西我們現(xiàn)在都可以經(jīng)常見到。

當(dāng)時沒有計算機輔助，也沒有液壓設(shè)備，怎么辦呢？航空先驅(qū)們就采用沙袋進行加載。沙袋有什么好處？飛機飛行的時候，作用在飛機上的載荷是氣動力載荷，氣動力載荷是一種分布載荷，用沙袋可以非常好地模擬分布載荷的效果。

這里我給出第一個關(guān)鍵詞，就是強度。強度是什么？實際上這個概念很簡單，用一句話來說就是，結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力。講到結(jié)構(gòu)破壞，它一定是有載荷上去才會產(chǎn)生破壞。

飛機的升力是飛機最主要的載荷之一，究竟它是怎么產(chǎn)生的？我們來看一下。

▲ 飛機升力產(chǎn)生的機制

大家現(xiàn)在看到上圖是一個對稱的翼型，它是一個二維圖形，實際上你可以把它看成是飛機機翼的橫截面。

我們會發(fā)現(xiàn)，翼型的迎角在逐漸增大，向上偏轉(zhuǎn)，上翼面的氣流逐漸開始紊亂——最開始還是層流狀態(tài)，流動的非常均勻，迎角大到一定程度，上翼面氣流就完全分離了。升力其實就是利用機翼劃過空氣的時候，上下翼面之間的壓差來產(chǎn)生的。

上翼面氣流為什么會分離？我講一個很小的事例，大家就都知道了。大家都見過煙柱，農(nóng)村都有煙囪，煙囪出來的煙最開始是很穩(wěn)定的，它是直直的向上運動，當(dāng)運動到一定距離的時候，由于煙柱里面的空氣跟旁邊的空氣產(chǎn)生了摩擦，因此它逐漸產(chǎn)生了抖動，抖動以后會產(chǎn)生亂流。

機翼上表面也是一樣的，空氣會跟飛機的上翼面產(chǎn)生摩擦，由于摩擦阻力的作用，上翼面氣流的速度會下降，逐漸產(chǎn)生紊流。這是升力產(chǎn)生的基本原理，也是上翼面氣流從正常層流到失速的一個過程。

考慮了載荷和強度，飛機是不是就安全了？實際上并不是，那還有什么問題呢？

▲ 飛機在飛行中會產(chǎn)生變形

航空先驅(qū)們發(fā)現(xiàn)，最早期的一部分飛機只考慮了強度問題，其實飛行中還會出現(xiàn)其他問題，比如說飛行中機翼的變形量太大。我們現(xiàn)在知道，飛機在飛行的時候機翼會向上彎曲，實際上除了向上彎曲的變形之外，機翼還會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

高速飛行的時候，如果機翼太軟，機翼會產(chǎn)生振動。振動會包含兩個模態(tài)，一個是彎曲的模態(tài)，還有一個是扭轉(zhuǎn)的模態(tài)，兩個模態(tài)會疊加在一起。如果機翼在空中出現(xiàn)顫振，那么飛機就會在很短時間內(nèi)解體。

▲ DC-3飛機

吸取了這個教訓(xùn)之后，工程技術(shù)人員開始關(guān)注剛度的問題，也就是說我們要讓機翼有一定的硬度，不能夠讓它變形太大。

考慮到強度和剛度之后，就出現(xiàn)了這些型號的飛機，比如在20世紀(jì)40年代，DC-3飛機，其實它最開始是一個民用型號，但是后來在飛行中出現(xiàn)了問題。

▲ 英國彗星號飛機

還有一款更出名的飛機叫彗星，是英國生產(chǎn)的。這兩個型號的飛機在后續(xù)的運營中都出現(xiàn)了失事，甚至結(jié)構(gòu)破壞的情況。我們看一下彗星飛機的情況。

▲ 墜毀的彗星號飛機

這是一架墜毀的彗星飛機。

▲ 爆裂解體的彗星號飛機

這張圖片更加的慘烈，飛機完全解體了。

這張照片可以看到機身出現(xiàn)了爆裂的情況，機體結(jié)構(gòu)為什么在空中飛行的時候突然爆裂呢？

很簡單，實際上工程技術(shù)人員在最開始研究飛機的時候，忽略了一個問題，什么問題呢？就是疲勞問題。我們制造飛機需要材料，有金屬的材料，也有非金屬的材料，目前地球上所能找到的材料幾乎都存在一個問題——疲勞。

小朋友讀書，看時間長了會疲勞，材料也會疲勞，所以這幾個型號的飛機出現(xiàn)了事故，主要是因為金屬材料疲勞，出現(xiàn)裂紋而造成的。

飛機在高空飛行的時候，如果飛機突然出現(xiàn)結(jié)構(gòu)爆裂，會導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓突然下降，人的肺部氣體來不及排出，就會引起肺出血。因此根據(jù)當(dāng)時的現(xiàn)象也可以判斷，飛機出現(xiàn)了空中解體。

▲ 阿羅哈空難

這張照片是后續(xù)的，我們稱為阿羅哈空難。當(dāng)時飛機在飛行過程中，前半機身的上壁板幾乎全部脫落。

大家能看到這是落地之后正在緊急撤離的狀態(tài)，我們甚至能看到乘客驚恐的表情。幸運的是，事故只有一個人遇難，是一位空乘人員，當(dāng)時正站在過道中沒有系安全帶。

從這幾個案例可以看出，疲勞是我們不能忽視的問題。工程技術(shù)人員認(rèn)識到了強度問題和剛度問題，也認(rèn)識到了疲勞問題。那是不是就完全沒有問題，完全安全了？

▲ 計算模擬裂紋擴散過程

我們來看一看，在解決疲勞問題的時候，用一個試驗機來測試材料的性能，有了性能信息之后，我們就可以利用數(shù)值計算方法，模擬裂紋從開始產(chǎn)生到不斷擴展的過程。

大家看，紅色區(qū)域就代表受力比較大的地方。我們既然能分析到這個程度，飛機為什么還會出問題呢？為了很好地解決疲勞問題，我們甚至還做了全機的疲勞試驗。

▲ 787飛機疲勞試驗

這是787飛機的疲勞試驗。大家仔細(xì)看，機翼在液壓機械作用下緩慢上下彎曲，這與大家坐飛機時看到的機翼變形是不是很相似？

▲ 787飛機疲勞試驗

實際上在實驗中，787的機身機翼結(jié)構(gòu)要做到比實際壽命多2倍，也就是說它要做到3倍壽命，只有做到這點，才能證明這架飛機的設(shè)計是合理的、安全的。

▲ 707和空客A300

考慮疲勞問題之后，這個時期出現(xiàn)的典型飛機就是707和空客A300，這是非常有名的兩款商用飛機。

▲ 中國運－10飛機

同一時期，中國有沒有類似的飛機？其實也有，那就是運－10飛機。非常遺憾的是，由于當(dāng)時我們國家財力有限，運－10飛機項目不得不停止。

實際上這款飛機飛得還是比較好的。當(dāng)時西藏地區(qū)遭受了雪災(zāi)，這款飛機從成都起飛，向拉薩的機場運送了很多救災(zāi)物資。

我們可以設(shè)想一下，如果當(dāng)時這個項目繼續(xù)下去，我們國家民用飛機的水平肯定會比現(xiàn)在要高很多。當(dāng)然，最近這幾年我們有ARJ21，也有C919，進步還是非常大的。

考慮疲勞問題之后還有沒有其他問題？我們做了試驗，能做到3倍壽命，好像已經(jīng)很安全了。但遺憾的是，還是出現(xiàn)了問題。

▲ 第一行：F111、F4 ；第二行：F5A、KC135

上圖中的4款飛機，在實際運作過程當(dāng)中，并沒有達(dá)到我們預(yù)計的壽命，它們出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的時候只飛了100小時，但根據(jù)我們疲勞分析的壽命應(yīng)該是4萬小時。

為什么它們還是壞掉了呢？實際上，我們還忽視了一個問題。我們在做疲勞試驗的時候，總是認(rèn)為飛機是新的，它所有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都應(yīng)該是沒有問題的。

但其實是有問題的。比如，鋁合金在原材料冶煉過程中可能存在氣孔；制造過程中，加工刀具可能在工件上留下的刀痕，這些都給我們的構(gòu)件帶來了初始的損傷。

如果這些情況沒有被注意到，在飛機運行中，在疲勞載荷的作用下，比如之前提到的彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷，初始損傷就會慢慢擴展，一直到出現(xiàn)斷裂。

▲ 陸薩卡空難貨機的故障位置

怎么解決這個問題？在陸薩卡空難后，我們的專家提出了下面這個關(guān)鍵詞，損傷容限。損傷容限是什么意思？就是我們應(yīng)該認(rèn)為，飛機在出廠時本身就是帶有缺陷的，我們應(yīng)該采取措施來限制缺陷的發(fā)展。

采用什么措施呢？第一，我們可以規(guī)定多大的損傷是可以接受的，出廠的時候，這個損傷在整個壽命期內(nèi)都不會導(dǎo)致飛機出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。

第二，我們可以給飛機設(shè)定檢查的間隔。到了檢查的時間，我們就對飛機的結(jié)構(gòu)進行一定程度的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

上述這些都是我們可以解決問題的方法。美國空軍在1971年的時候就提出了這么一個標(biāo)準(zhǔn)，到1975年提出了損傷容限的試航規(guī)范。

前面大概回顧了一下我們結(jié)構(gòu)發(fā)展的歷史，現(xiàn)在我們看看結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展過程。為什么會發(fā)生這樣一個變化，實際上跟我們的航空技術(shù)有關(guān)系。

從設(shè)計角度來講，大家可以看到，我們現(xiàn)在借助計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)技術(shù)，可以很準(zhǔn)確地計算出一架飛機在穿越空氣的時候，它表面的速度場是怎樣分布的。

▲ 飛機速度場分布的可視化

在這個空間當(dāng)中，每一個點的速度有多大？速度是指向哪個方向的？每一個點的壓力有多大？每個點的渦量是多少？然后以一種可視化的方式呈現(xiàn)給大家。平時我們接觸的空氣都是透明的，但通過計算機技術(shù)我們能夠看到。

▲ 利用計算機設(shè)計和組裝飛機

另外，我們還可以在計算機上對飛機進行詳細(xì)的設(shè)計。在計算機上對飛機進行組裝，甚至可以把設(shè)備一起裝上去，這在以前是不可想象的。

以前如果設(shè)計一款飛機都是用手工來畫圖紙，一個型號的飛機從開始研制到能夠交付用戶，大約要20年。一名飛機設(shè)計人員，一輩子能參加1～2個型號的飛機設(shè)計就很不錯了。但是現(xiàn)在有了計算機技術(shù)輔助，一個型號的飛機大約5～6年就可以做出來。

▲ 部件受力情況的可視化

還有結(jié)構(gòu)受力的情況，我們也可以以一種可視化的方式展現(xiàn)給大家。這是飛機起落架上常見的東西，叫抗扭臂，越鮮艷的部分就是受力越大的部分，我們可以通過計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

這個結(jié)構(gòu)的截面是不是需要這么大？如果應(yīng)力或是受力比較低，我們可以把材料減少一點，飛機就可以變得更輕一點。我們還要考慮環(huán)保問題，飛機在飛過天空的時候有噪聲，噪聲一方面會影響居民生活，另外一方面噪聲也是飛機的載荷。

▲ 飛機受力可視化

大家知道聲音是振動的，如果我們所處的空間是真空的，大家就聽不到我說話的聲音。聲音是質(zhì)點振動，質(zhì)點振動就會產(chǎn)生應(yīng)力的影響。所以聲音也是一種載荷，也是我們要關(guān)注的。從設(shè)計的角度，我們需要考慮這些問題。

從制造角度來講，我想提出一個關(guān)鍵詞，就是復(fù)合材料。我們現(xiàn)在制造飛機，除了常見的鋁合金，先進飛機上往往會采用復(fù)合材料。

復(fù)合材料這個東西并不新鮮，我們的老祖宗一直在用，什么時候在用呢？比如中國古代筑墻的時候，要用稻草、秸稈和著泥土，甚至再加一點糯米漿。這實際上就是一種典型的復(fù)合材料，秸稈是其中的增強體，而泥土和糯米漿就是基體。

▲ 復(fù)合材料

現(xiàn)在航空上用的復(fù)材主要是碳纖維增強復(fù)合材料。碳纖維的強度有多高呢？簡單來講，它至少會比一般的鋼材大五六倍以上，現(xiàn)在最好的碳纖維甚至可以達(dá)九到十倍。

大家想想看，同樣的一個力，我們用強度高的東西去承載，重量自然就會下降，而且碳纖維這種材料的密度比鋼鐵還低很多，這樣就使飛機越來越輕，載重量越來越大，航程越來越遠(yuǎn)，性能也越來越好。

平時坐飛機，大家進客艙踩的那個地板就是一個蜂窩夾芯的復(fù)合材料，像A340和A330的地板有多厚呢？大家可能想不到，只有大約五六毫米，非常薄。但是你踩在上面不會覺得有很大的變形，不會踩到凹下去。因為它是碳纖維做的，剛度很好。

▲ 鋁蜂窩板

除了我們用聚合物的蜂窩之外，還會用到一些金屬蜂窩，比如鋁蜂窩?？梢杂娩X蜂窩來做夾芯材料。

▲ A380上的各種復(fù)合材料

在A380飛機上，采用了大量的復(fù)材進行制造。

講完制造，我們來講講試驗。剛才講了，工程當(dāng)中我們不能完全依靠分析，必須要有試驗來驗證。

▲ 787飛機靜力試驗

這是787飛機在做靜力試驗，這是個靜態(tài)圖，我們再看看動態(tài)圖。

▲ 787飛機在做靜力試驗

大家可以看到，機翼在液壓機械和電腦的控制下，整個機器發(fā)生彎曲，跟大家平時看到的機翼變形量有什么不一樣呢？它的變量更大，因為我們這里要看它的極限狀態(tài)。

▲ 777飛機機翼破壞試驗

這是777飛機機翼破壞的視頻。我們要看一看，它破壞的時候，載荷是不是跟我們設(shè)計的一樣。這就是一些我們的試驗手段。

▲ A380起落架落震試驗

從系統(tǒng)角度來講，飛機除了結(jié)構(gòu)之外，還有起落架、液壓、燃油、空調(diào)、引氣等等很多系統(tǒng)。這是A380起落架在做的落震試驗，模擬的是飛機接地那一瞬間起落架的狀態(tài)。

▲ A380剎車裝置

還有更重要的，減速用的剎車，這是A380的剎車裝置。大家可以從視頻中看到輪轂里面在冒火，它測試的也是一個極限的剎車狀態(tài)，經(jīng)過這些試驗之后，才能確保飛機飛行的時候是安全的。

除了飛機本身之外，還有什么因素影響安全呢？還有一個很重要的因素就是人為因素。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，70％～80％的航空事故，是由于人為原因造成的。

▲ 模擬飛機著陸

像這架A330飛機在著陸的時候，由于機長判斷失誤，沒有及時進行復(fù)飛，所以飛機落地的時候已經(jīng)到了跑道的中間，最后它沖出了跑道。

怎么樣來避免人為的差錯？我從飛機的飛行控制系統(tǒng)來舉個例子，現(xiàn)在飛機的操縱系統(tǒng)有兩大類，一類是機械的，我們用液壓來進行助力，還有一類是電傳的，在圖上，大家能看到飛機的很多操縱面，它能控制飛機的抬頭、低頭、俯仰、橫滾，還有偏航。

▲ 飛機的機械助力操縱與電傳操縱

區(qū)別在哪里？我們看一下這張圖，雖然顯得很專業(yè)，但其實很簡單，如果采用電傳的操縱系統(tǒng)，飛行員的信號在發(fā)送出去之后，首先要經(jīng)過計算機進行分析和處理。

舉個例子，雙發(fā)飛機橫滾的時候，最大角度是30度，如果飛機已經(jīng)滾轉(zhuǎn)到了30度，飛行員還在壓桿，飛控計算機就會過濾掉這個信號，改為由計算機進行控制。

下面，我們看到的是幾款比較先進的飛機。

▲ 蘇－35做眼鏡蛇機動

這是蘇－35。以前有朋友問我，航展的時候飛機為什么要拉煙？很多人說這樣是為了好看，實際上，我告訴大家，它還有一個很重要的作用。

通過拉煙，我們能看到飛機附近空氣流動的情況，大家看視頻中的蘇－35在做眼鏡蛇機動的時候，機翼的上翼面氣流全部分離了。

它怎么樣才能恢復(fù)狀態(tài)呢？蘇－35用了推力矢量噴管才能恢復(fù)這個狀態(tài)。

▲ X－35B測試試驗

再比如，這是F－35飛機的前身：X－35B在做試驗時的一段錄像，這是一個能夠垂直起落的飛機。

我們能看到它整個起飛的過程，尾噴管向下偏轉(zhuǎn)，前方的升力風(fēng)扇打開，另外在機翼上還有兩個噴氣口，用來控制飛機的橫向平衡。飛機開始起飛了。我們甚至能看到在起飛的時候，它內(nèi)部計算機在調(diào)節(jié)推力的大小。

民航領(lǐng)域，比如最新的A350，A380這兩款飛機，現(xiàn)在都是很先進的飛機。A380的最大起飛重量是560噸。560噸是什么概念？一輛家用轎車大約是1噸到1.5噸，大家可以對比一下。

為了保證民航飛機的安全，我們現(xiàn)在有幾個適航體系。比如，中國民航有自己的民用航空條例，美國的聯(lián)邦航空局（FAA）也有它的適航條例，還有歐洲主要是EASA體系來保證安全。有這么多工作來保證飛機的安全，那么飛機運行過程中還會遇到什么問題呢？

▲ 鳥與飛機相撞引發(fā)的事故

大家可以看這張圖，鳥撞到飛機上。一只很小的鳥，很柔弱的樣子，它為什么會把飛機撞成這個樣子，因為相對速度大。民航飛機和軍用飛機都會考慮到這些問題，在設(shè)計的時候，就已經(jīng)考慮到這些因素，在結(jié)構(gòu)上做了一些布置。

▲ 惡劣天氣對飛機的破壞

還有天氣因素的影響，比如冰雹、雷電，我們也會做一些相應(yīng)的處理。

▲ 飛機的避雷方案

比如把飛機所有的金屬件連接起來，形成等勢體，這樣電流只會從飛機的外表面通過，而不會到里面去，所以大家遇到雷電的時候不用害怕。另外，還有氣流的影響。

▲ 風(fēng)力對飛行的影響

大家看一下，這架飛機在剛起飛的時候，遇到逆風(fēng)，到中間的時候遇到下降氣流，再往前一點又變順風(fēng)了，所以氣象條件對飛機的飛行也有一些影響。除了風(fēng)以外，還有就是雷暴。

我們國家現(xiàn)在的航空科普教育，跟航空發(fā)達(dá)國家比還差了一點。以前經(jīng)常有旅客在值機臺跟工作人員理論，明明機場天氣很好，為什么不能飛呢？

很簡單，是因為旅客不了解，雖然起飛地機場天氣好，但有可能在航路上有雷暴。航路上天氣好，有可能目的地機場有雷暴，所以在夏季航班延誤比較多，就是因為這個原因。

為什么很多人不了解這個情況？是因為我們的航空文化知識普及還不夠。實際上，我們現(xiàn)在已經(jīng)進入了一個大眾航空時代，每一個航空強國的航空普及教育都是非常強的。

▲ 航空博物館

通過博物館可以進行知識的傳播，還可以通過一些其他的活動，比如說模擬飛行。

▲ 模擬飛行

這是一個非常好的了解航空知識的渠道，在自己家里就可以實現(xiàn)模擬飛行，可以模擬客機、戰(zhàn)斗機的飛行。

▲ 無人機

另外，我們現(xiàn)在的無人機發(fā)展也很迅速，有很多的無人機的極客（GEEK）。他們自己設(shè)計無人機，自己來試飛無人機。

▲ 中國民用航空飛行學(xué)院自制無人飛艇

我們學(xué)校里也有這么一群人，大家看到的這幾個無人機都是學(xué)生自己設(shè)計的，他們還設(shè)計了一些太陽能飛機，還有無人飛艇，有點像大海里面的水母，看起來蠻漂亮的。

這段視頻拍攝的是中國民用航空飛行學(xué)院的一個校區(qū)，用的是我們自己的一款無人小飛機拍攝的，大家看一下，和你在飛機上面看到的是不是很相似。無人機也是航空文化的一種普及方式，它可以改變我們的視野。

這是一個網(wǎng)友拍攝的視頻。大家看一看，這是一個很小的無人機，我們稱為穿越機，它拍攝的畫面完全改變了我們觀察世界的角度。這些都是廣大航空愛好者可以自己開展的活動。

未來的飛行會是什么樣子？剛才我們有老師給大家講了這個問題，我的觀點和他們有點類似，一定是空天一體。在大氣層內(nèi)我們有相應(yīng)的飛行器，比如說貨運或客運。再往后發(fā)展應(yīng)該是高速飛行器的時代，我們會進入到空天飛行時代。

從陸地起飛，進入到臨近空間（指距地面20～100公里的空域），以高馬赫速度飛行，快速到達(dá)另一個目的地，將極大地改變我們現(xiàn)在對距離的認(rèn)識。

大家想想看，當(dāng)我們沒有高鐵的時候，是不是覺得距離很遙遠(yuǎn)，但現(xiàn)在有了高鐵，是不是感覺距離縮短了。所以未來世界真的會變成一個地球村。這就是我今天要和大家一起分享的航空經(jīng)歷，謝謝大家。

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文章和演講僅代表作者觀點，不代表格致論道講壇立場。