航空小知识

飞机的冰雹抗撞设计

时间:2021年04月19日   来源:《大飞机》杂志
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  每次有飞机在空中被冰雹撞击的新闻报出,都会有人问:现代科技这么发达了,为什么躲不开冰雹?

  其实,飞机在飞行过程中,冰雹是相对飞机作高速运动的,因而即使飞行员看到有冰雹,也不可能来得及做出反应来躲开冰雹的撞击。 

  而机载气象雷达也只能探测到与“水汽”相关的天气现象,比如大雨、湿雪、厚厚的云层等等,并不能给飞行员一个前方是否有冰雹的准确报告。飞行员只能根据回波和边缘轮廓,结合专业知识和经验进行主观判断。最新的雷达技术也只能根据气象学模型“预测”、而非探测到冰雹的存在。所以,即使是具备冰雹预测功能的最新型雷达,依然无法保证不遗漏任何冰雹的存在。 

  肉眼看不到,雷达扫描不出来,所以飞机在天上要完全规避冰雹的袭击,几乎是不可能的。为了保证飞行安全,飞机在设计中都要加入抗撞设计。 

                                  

  冰雹撞击的特点 

  抗撞设计怎么搞?防护缓冲加疏导! 

  尽管民用飞机在航线选择上会尽量避免气象条件较差的、易出现冰雹的区域,但航行中遇到冰雹袭击有时却是不可避免的。冰雹灾害因其突发性强、来势猛、数量多、强度大的特征,有可能导致飞机结构被破坏,影响飞行安全性,威胁成员安全并可能造成经济损失。 

  一般而言,飞机风挡、机头鼻锥、机翼前缘、发动机进气道、油箱、雷达整流罩、驾驶舱门窗等处迎风面积大,最容易受损,且各部分破坏模式不尽相同。如风挡、舱门窗,猛烈的冰雹撞击能够在较短时间内使这些部位产生裂纹,在极端情况下甚至可以击穿玻璃、危及生命安全。对于机头鼻锥处,高强度的大量冰雹撞击,可能直接导致机头的错位甚至直接断裂脱落。而且,在同一次冰雹事故中,多种损伤形式可能集中出现。 

  同飞鸟撞击相比,冰雹撞击有如下三个特点: 

  一是冰雹撞击必是小质量体群体撞击; 

  二是冰雹刚度较鸟体大,在相同速度和质量的情况下,撞击载荷更高; 

  三是冰雹撞击威胁空域更广,在010千米高度范围内都可能发生。 

                                          

  冰雹撞击研究的难点 

  近年来,无论是美国的FAR、欧洲的JAR,还是我国的CCAR,都对飞机结构提出了专门的要求,以保证结构受到大量冰雹撞击后仍能保持其安全飞行和着陆的功能。1984FAA在咨询通报《复合材料飞机结构(AC20-107A)》中,对包括冰雹在内的离散源撞击飞机结构的冲击安全问题有专门的规定,所有即将投入商业运行的飞机的设计必须严格满足相应的离散源撞击指标。中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》 [CCAR-25R4]也规定了结构元件不能因包括冰雹在内的离散源损伤而失效。 

  冰雹与靶体碰撞的微观过程发生在区间很小的毫秒级时段内,冲击特性上更多体现为非线性的复杂冲击动力学问题。由于相对速度较高,所以靶体在碰撞中将承受强动载荷的冲击,需采用冲击动力学分析手段,才能够更准确客观地对这个问题进行相对准确的分析。 

  目前研究冰雹的手段主要有工程算法、数值分析和物理实验三种,数值分析与物理实验是研究的主流手段。 

  冰雹撞击问题研究的复杂性和技术难点体现在如下三个方面: 

  冰雹从与靶体的接触到最后破碎变形,具有大变形、几何非线性的特点,冰雹材料本身因其复杂晶体结构很难被模拟,同时又因为应变率的波动而呈现出很强的非线性特征。 

  高速撞击过程会给冰雹粒子产生较大的应变率,而应变-应力曲线的不明确性使其本构模型很难描述,材料参数不易获取。 

  冰雹撞击地面模拟实验较为困难。主要困难在于自然冰雹为多晶结构,而实验室人工模拟冰雹多为单晶,两者力学属性差异性较大。此外,真实撞击中为多冰雹大面积连续撞击过程,很难在实验室环境中进行模拟。 

                                                  

  抗冰雹撞击设计的三种思路 

  当前民机抗冰雹撞击设计有三种主要思路: 

  对于内部电子元件和管路结构,提高蒙皮的抗冲击能力或前端设计防护结构,以避免或减轻冰雹等离散源的撞击威胁; 

  采用蜂窝等吸能结构填充,减缓撞击载荷; 

  采用能量疏导方式,将撞击动能分流导出,降低结构失效破坏风险。 

  目前,我国在民机抗冰雹撞击研究方面已经取得了一定的成果。在实验能力方面,中国航空工业集团强度所自主创新设计了冰雹撞击实验系统,填补了航空工业在研究冰雹撞击研究实验能力方面的空白;掌握了实验室人工模拟冰雹制备技术,广泛应用于结构抗冰撞测试与验证。目前该系统在飞机结构、发动机抗冰雹撞击验证等方面取得广泛应用。 

  在分析水平方面,强度所建立了冰雹动态本构、冰球数值模型,进行了大量冰雹撞击飞机结构动响应的数值分析,有力地支撑了结构抗冰雹撞击设计评估。 

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