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你的每一次平稳落地,都是我们千万次模拟的成果 | 刘峰

环球科学  · 公众号  · 科学  · 2025-06-14 21:47

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考虑到强度和刚度之后,就出现了这些型号的飞机,比如在20世纪40年代,DC-3飞机,其实它最开始是一个民用型号,但是后来在飞行中出现了问题。


▲ 英国彗星号飞机

还有一款更出名的飞机叫“彗星”,是英国生产的。 这两个型号的飞机在后续的运营中都出现了失事,甚至是结构破坏的情况。 我们看一下彗星飞机的情况。


▲ 坠毁的彗星号飞机

这是一架坠毁的彗星飞机。


▲ 爆裂解体的彗星号飞机

这张图片更加惨烈,飞机完全解体了。


这张照片可以看到机身出现了爆裂的情况,机体结构为什么会在空中飞行的时候突然爆裂呢?


很简单,实际上工程技术人员在最开始研究飞机的时候,忽略了一个问题,就是疲劳问题。我们制造飞机需要材料,有金属的材料,也有非金属的材料, 目前地球上所能找到的材料几乎都存在一个问题——疲劳。

小朋友读书,看时间长了会疲劳,材料也会疲劳,所以 这几个型号的飞机出现了事故,主要是因为金属材料疲劳,出现裂纹而造成的。


飞机在高空飞行的时候,如果飞机突然出现结构爆裂,会导致舱内气压突然下降,人的肺部气体来不及排出,就会引起肺出血。因此根据当时的现象也可以判断,飞机出现了空中解体。



阿罗哈空难


这张照片是后续的,我们称为阿罗哈空难。当时飞机在飞行过程中,前半机身的上壁板几乎全部脱落。


大家能看到这是落地之后正在紧急撤离的状态,我们甚至能看到乘客惊恐的表情。幸运的是,事故只有一个人遇难,是一位空乘人员,当时正站在过道中没有系安全带。

从这几个案例可以看出,疲劳是我们不能忽视的问题。工程技术人员认识到了强度问题和刚度问题,也认识到了疲劳问题。那是不是就完全没有问题,完全安全了?


计算模拟裂纹扩散过程


我们来看一看,在解决疲劳问题的时候,用一个试验机来测试材料的性能,有了性能信息之后,我们就可以利用数值计算方法,模拟裂纹从开始产生到不断扩展的过程。


大家看,红色区域就代表受力比较大的地方。 为了很好地解决疲劳问题,我们甚至还做了全机的疲劳试验。 我们既然能分析到这个程度,飞机为什么还会出问题呢?

787飞机疲劳试验


这是787飞机的疲劳试验。大家仔细看,机翼在液压机械作用下缓慢上下弯曲,这与大家坐飞机时看到的机翼变形是不是很相似?


787飞机疲劳试验


实际上在实验中,787的机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍, 也就是说它要做到3倍寿命,只有做到这点,才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。

707和空客A300


考虑疲劳问题之后,这个时期出现的典型飞机就是707和空客A300,这是非常有名的两款商用飞机。


中国运-10飞机


同一时期,中国有没有类似的飞机?其实也有,那就是运-10飞机。非常遗憾的是,由于当时我们国家财力有限,运-10飞机项目不得不停止。


实际上这款飞机飞得还是比较好的。当时西藏地区遭受了雪灾,这款飞机从成都起飞,向拉萨的机场运送了很多救灾物资。


我们可以设想一下,如果当时这个项目继续下去,我们国家民用飞机的水平肯定会比现在要高很多。当然,最近这几年我们有ARJ21,也有C919,进步还是非常大的。


飞机在出厂时就是带有缺陷的

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考虑疲劳问题之后还有没有其他问题呢?我们做了试验,能做到3倍寿命好像已经很安全了。但遗憾的是,还是出现了问题。


第一行:F111、F4 ;第二行:F5A、KC135

上图中的4款飞机,在实际运作过程当中,并没有达到我们预计的寿命,它们出现结构损伤的时候只飞了100小时,但根据我们疲劳分析的寿命应该是4万小时。



为什么它们还是坏掉了呢?实际上,我们还忽视了一个问题。我们在做疲劳试验的时候,总是认为飞机是新的,它所有的结构系统都应该是没有问题的。


但其实是有问题的。 比如,铝合金在原材料冶炼过程中可能存在气孔;制造过程中,加工刀具可能在工件上留下的刀痕,这些都给我们的构件带来了初始的损伤。







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