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飞机结构设计思想变迁（一） 文/ 图 王辰 胡丹飞机结构是体现飞机总体布局、气动外形的技术载体，是飞机各系统实现预定功能的物理平台，是制约飞机使用可靠性、成本和寿命的主要因素。因此，在飞机设计技术的发展历程中，结构设计技术一直占有十分重要的地位。（图1）从普通航空迷的角度来讲，对于飞机的关注一般是从飞机原型机的出现开始，到其试飞定型以及之后的飞行表现和改进改型，对于飞机研制过程中的其他环节了解不多。研制一种新型飞机是一项极其复杂的系统工程，一般而言，研制一种新型飞机需要经历：预先研究、方案论证、飞机设计、试制和试验、设计定型、工艺定型和批量生产、改进和改型等几个阶段。其中飞机设计是指设计人员综合应用气动、结构、动力、材料、工艺等学科的知识，将飞机设计要求（战术技术要求）转化为一组能完整地描述飞机的参数（飞机形状、尺寸、结构、材料等）的过程。这个过程又包括概念设计（Conceptual Design）、初步设计（Preliminary Design）和详细设计（Detail Design）三个阶段。（图2）飞机的结构设计就属于详细设计阶段的工作，详细设计阶段又称为工作设计或技术设计，其主要任务是进行结构设计（部件设计、零构件设计等）和系统设计（液压系统、操纵系统等），其工作内容包括绘制出各个部件和系统的总图、装配图、零件图，制定出详细的重量计算和强度计算报告；进行零件和构件的强度验算；进一步确定飞机的重量和重心位置；进行各种必要的试验，如强度和寿命试验、各系统的地面台架试验等。在介绍指导设计人员进行飞机结构设计的指导思想之前，我们先来了解一下飞机结构设计的基本要求，也只有在了解了这些基本要求之后，我们才能较为准确的理解为什么我们要遵循一些必要的设计准则来进行设计和分析工作。就像我们生活中所能够接触到的大多数民用产品一样，只有了解了产品性能和功能所必须达到的基本要求，我们才能设计出符合市场需求和国家相关标准的合格产品。在进行飞机结构设计时，设计人员应使所设计的结构满足技术要求中规定的对结构的基本要求可以大致概括为气动要求、重量要求、使用维护要求和工艺要求。这几项要求之间是相互联系、相互制约的，甚至有些还是相互矛盾的。全面考虑这些要求从而设计出理想的结构则需要分析这些要求之间的相互联系，综合考虑。其中，“气动要求”虽然不是结构设计人员主要考虑的，但却是一种“前提性”要求，即设计出的结构必须满足气动要求，并在满足气动条件的前提下，要求结构质量尽量轻、使用方便、工艺性良好等。毕竟，即使你的结构设计得再好，如果破坏了飞机的气动外形也是不允许的，因为这样就会使飞机的气动特性改变而无法达到其设计中能够达到的性能指标。“使用维护要求”也是一种前提性要求，即根据飞机的机种、使用特点规定了使用、维护要求。因此要求结构有与之对应的“开敞性”/“可到达性”，即在结构上必须有相应的设计分离面和开口，以保证维护人员有接近内部装载或内部结构的通道，并使相应结构的拆装迅速可靠。比如，航空发动机的使用寿命一般低于飞机机体的使用寿命，那么在发动机到寿之后就需要给飞机更换新的发动机。而且一台发动机在其全寿命周期内，也需经历若干次的大修和一般性维修。这就需要在进行飞机结构设计时考虑分离面的设计，以满足方便拆装发动机的需要。早期的喷气式战斗机尤其是前苏联设计制造的战斗机，设计这种分离面的做法往往是在飞机机身的中部设置分离面，需要拆装发动机的时候就将飞机机身从中部一分为二，然后把发动机从后机身沿机身轴线方向抽出来。这样做的好处是不影响飞机整体的载荷传递、结构增重小，缺点是每次拆装都必须先把机身前后分开才能把发动机拆下或装入，每次拆装工作至少需要48 72 小时，极大地拖延了维护时间，对保证出勤率有很不利的影响。而现代飞机尤其是西方国家设计的战斗机，拆装发动机一般是在飞机后机身发动机的下部设计开口。这样在拆装发动机的时候就可以把发动机下方的口盖打开，拆除螺栓等紧固件后把发动机直接从后机身下部取出，再换上可以使用的发动机。完成整个拆装发动机的过程最快只需要几个小时，大大缩短了维护保养时间，提高了战机出勤率。缺点是由于开口破坏了机体原有的传力路线，一般需设计成完全补偿形式即可以传递各种载荷，造成的结构增重较大，对减轻飞机的结构重量不利。“工艺要求”是一种“条件性和发展性”要求。“条件性”是说结构的工艺性好坏要结合飞机生产的条件，如产品数量、产量工期、加工条件等；“发展性”是针对产品数量和加工条件。比如，某些加工工艺适合小批量生产而某些加工工艺适合大批量生产，采用何种工艺取决于生产的数量；某些加工工艺在设计时还不具备，但在后续生产时可实现，这就决定了不同批次生产的飞机结构可能采用不同的加工工艺，那么在结构设计时也会有细节上的差异。虽然前述的“气动要求”、“使用维护要求”、“工艺要求”在整个结构设计过程中所占时间不多，但依然是很重要的。如果在结构方案确定后，因为某些要求不能满足二更改结构方案，将大大增加工作量，甚至因为不能很好地更改而牺牲某些设计指标。最后，“重量要求”（亦称“质量要求”）是飞机结构设计的主要要求。飞机结构设计应保证结构在规定的载荷状态下具有足够的强度，不产生不能容许的残余变形；具有足够的刚度与采取其他措施避免出现不能容许的气动弹性问题与振动问题；具有足够的寿命等。在保证上述条件得到满足的同时，应使结构质量尽可能轻。这项要求可以概括为强度（刚度）质量要求或最小质量要求，即在保证飞机结构满足强度、刚度等要求的前提下尽量做到结构重量最轻。在航空工业领域，有一句非常有名的话：“航空工程师要为了减轻每一克重量而奋斗”（其实准确的说应该是为了减轻每一克“质量”而努力，因为在国际通用的单位制下质量的单位是克或者千克，而重量是物体受万有引力后力的度量，其单位是牛顿或者千牛。我们在日常生活中习惯了说重量、减重等词汇，此处就按照大家的语言习惯未作修改）。对于民用飞机，假设我们能够使一架结构质量为30t 的民机减轻100kg（只减轻了总结构质量的0.33%），则能多载一名乘客或100kg货物，那么在飞机的全寿命周期就可以增加上百万元的收入。飞机的服役寿命越长，减轻结构质量所能带来的经济利益也越大。对于军用飞机，结构质量对全机推重比和翼载荷这两个关键指标影响很大。质量与起飞着陆性能有很大关系，与航程及爬升率等机动性能指标关系也较大，所以减轻质量对军机设计更为重要。这也就是为什么在飞机结构设计的几项基本要求中，质量要求是主要要求的原因。用一句通俗的话讲就是，如果飞机不能做得轻，怎么能飞上天呢。了解这些基本要求，有助于我们理解飞机结构设计思想的演变。现代飞机的成本越来越高，从而要求飞机有更长的经济寿命和更高的使用可靠性，而且有些飞机还要求具备高超声速飞行、低探测性等特种使用功能，它们都对结构设计提出了更高和更特殊的需求。回溯飞机结构设计的百年历程，结构设计技术经历了从低到高、从简单到复杂、从单一功能到多功能综合的演变过程，但无论其设计思想如何演变，也都是为了更好地、更全面地满足结构设计的各项要求。飞机结构设计思想是保证飞机结构安全的指导思想，它来源于飞机的使用实践，同时受当时科技水平设生产力水平的制约。虽然各阶段结构设计思想之间并无明显的时间界限，但是按其发展过程大致可以分为静强度设计准则、动强度设计准则、疲劳安全寿命设计准则、安全寿命破损安全设计准则、耐久性损伤容限设计准则和可靠性设计准则（图5? 8）。再对上述设计准则加以简化，可以分为5 个阶段：静强度设计；静强度和刚度设计；静强度、刚度和安全寿命设计；静强度、刚度和损伤容限与经济寿命设计；可靠性设计。（未完待续） -全文完-