三:载荷谱和寿命
机械产品的真实寿命极大程度上取决于它的使用强度,就好像一把菜刀一样,每天只是切切白菜萝卜,用上10年不难;但如果频繁干一些剁骨斩筋的重 活,那么用上一个月就崩口卷刃只能报废也不奇怪。同理,一架战斗机如果长期进行频繁的大速压和剧烈机动飞行,巨大的气动压力和由此带来的反复变形必然会快 速消耗掉飞机的结构寿命。
载荷谱就是用来确定飞机使用强度的一系列各种各样的相关标准。飞机结构的指标论证围绕着它展开,寿命结果也是依据它计算、修正而来。各种飞机都 有不同的一大堆载荷谱,标明了它在一段时间的飞行过程中,各种任务条件下其结构会经受多少次各种类型、大小的载荷。上文中提到的“过载”就是其中相当重要 的一个评判标准。
最大使用过载和最大允许速压不同,它是允许超载的。绝大多数战斗机的结构强度上都为此留有50%的额外余量;不过也有极少数例外,EF-2000 就只有40%。这个余量既是安全性的可靠保证,也是飞机寿命储备的重要来源。比如最大允许9G过载的战斗机,结构可以保证很短时间内14.5G不解体;新 设计的飞机,在结构强度试验做到67%指标的时候就可以允许首飞。葛文墉就曾经意外的在歼-7(最大使用过载7G)试飞过程中短时间进入过9.2G状态, 超载30%以上,事后检查也并未发现飞机结构的可见变形和破坏。
苏-37(编号711)意外坠毁的最主要原因就是长期的飞行表演中,频繁的高过载机动提前透支了全部的结构寿命而未受足够重视,它最后阶段其实已经是以结构报废状态在飞行了
而从寿命储备的角度看,如果无法确定飞机将来会以怎样的强度和频率飞行,那么结构寿命的计算自然也无从谈起。苏-37(编号711)意外坠毁的 最主要原因就是长期的飞行表演中,频繁的高过载机动提前透支了全部的结构寿命而未受足够重视,它最后阶段其实已经是以结构报废状态在飞行了。
歼-20的载荷要求非常苛刻
比如我国最新的国家军用标准中,对于机动载荷系数谱就有如下的规定(针对飞机设计,不代表实际飞行使用),教练机每1000小时飞行中,6G过 载76次,最大过载7.5G出现在高级训练阶段,仅有1次。而战斗机的标准就要残酷的多,6G过载达到5051次,7G过载1115次,8G过载236 次,9G过载的次数达到61次,10G过载(超载状态)达到15次——歼-20的结构寿命即遵循这一标准。很显然,同一款飞机按照这两种不同的标准进行使 用,最后的实际寿命会相差极大——这也是教练机看起来更便宜但却寿命更长的根本原因所在。
[注:《GJB 67.6A-2008 军用飞机结构强度规范》]
事实上就算都是战斗机,不同年代、不同的型号,设计标准中载荷谱也都各不相同。随着飞机结构设计水平、军队训练强度的提升,载荷谱标准也一直都在变的越来越残酷。F-15A/B、F-16A/B设计年代相近,最初的寿命标准也都是4000小时;但F-15A/B/C/D的最大过载只是7.33G,F-16A/B的载荷标准就提升到了每1000飞行小时中20次9G过载的水平(注)。
[注:《关于新一代飞机的设计载荷》]
[注:《浅析歼八飞机机体结构设计的四个问题》]
歼-10系列不仅拥有标称5000小时(7500次飞行/起落、20年服役期)的设计寿命(注),达到了苏-27SK/歼-11B(注) 系列的2倍。而且作为一款完全按照西方三代机规范标准设计的型号,它在载荷谱的含金量上同样是国内其它任何三代飞机所完全无法相比的。这也是歼-10飞行 部队普遍战斗力高昂的主要原因之一:同样训练一年,歼-10系列飞行员在各种极限状态下的飞行次数和累积时间可以是其它三代机飞行员的数倍甚至十数倍。
[注:《关于高教机寿命指标要求与实现寿命指标技术途径的探讨》]
[注:《飞机结构典型故障分析与设计改进》]
同样训练一年,歼-10系列飞行员在各种极限状态下的飞行次数和累积时间可以是其它三代机飞行员的数倍甚至十数倍