【科技動(dòng)向】美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)年度回顧
2018年12月,美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)主辦的出版物《美國(guó)航空航天》(Aerospace America)刊登了AIAA對(duì)2018年航空技術(shù)進(jìn)展的年度回顧。
在該回顧中,對(duì)于第一章“航空航天設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)”(Aerospace Design and Structures),AIAA共發(fā)表8篇回顧,如下:
——《結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué):設(shè)計(jì)世界上最大的風(fēng)力渦輪機(jī)》(Structural Dynamics: Designing the world’s largest wind turbine);
——《材料學(xué):建模領(lǐng)先驅(qū)動(dòng)未來(lái)的材料學(xué)研究》(Materials: Modeling takes the lead in driving materialsresearch for the future);
——《結(jié)構(gòu):多種結(jié)構(gòu)成形》(Structures: Multiple structures take shape);
——《多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化:新的計(jì)算工具、國(guó)際合作交織在設(shè)計(jì)過(guò)程中》(Multidisciplinary Design Optimization: New computingtools, international collaboration spell design progress);
——《非確定性方法:研究人員幫助開(kāi)發(fā)人工智能,增材制造》(Non-deterministic Approaches: Researchers aiddevelopment of AI, additive manufacturing);
——《自適應(yīng)結(jié)構(gòu):形狀記憶材料開(kāi)始成形》(Adaptive Structures: Shape memory materials begin totake shape);
——《系統(tǒng)工程:系統(tǒng)工程師向藝術(shù)領(lǐng)域借鑒》(Systems Engineering: Systems engineers draw lessons fromartistry);
——《生存力:美空軍測(cè)試鋼制碎片對(duì)鋁制燃料箱的影響,評(píng)估前者對(duì)后者的穿透》(Survivability: U.S. Air Force tests steel fragmentsagainst aluminum, assesses penetration of fuel tanks)。
AIAA的生存力技術(shù)委員會(huì)致力于將航空航天飛行器的生存能力推廣成為一門獨(dú)立設(shè)計(jì)要素,其中包括耐撞性、作戰(zhàn)性和可修復(fù)性等因素。
為了表征和測(cè)試飛機(jī)上易受鋼制碎片影響的鋁制結(jié)構(gòu)情況,需要測(cè)量鋼制碎片進(jìn)出鋁制結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。2018年1月至2018年7月,美空軍在俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地進(jìn)行了一項(xiàng)沖擊試驗(yàn),獲取沖擊瞬時(shí)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)將有助于開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證模型,預(yù)測(cè)鋼制碎片射入和射出鋁制板材結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)其產(chǎn)生影響持續(xù)的時(shí)間。這些數(shù)據(jù)還將有助于開(kāi)發(fā)算法,以預(yù)測(cè)鋼片碎片的從正面射入和從背面射出時(shí)的瞬時(shí)時(shí)間。數(shù)據(jù)的獲取主要通過(guò)利用來(lái)自空軍理工學(xué)院的高速攝像機(jī)和實(shí)驗(yàn)激光成像捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。這一項(xiàng)目目前由一個(gè)集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)執(zhí)行,目的是支持飛機(jī)下一代防火預(yù)測(cè)模型的開(kāi)發(fā)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是生成數(shù)據(jù),通過(guò)利用建模和仿真等手段模擬物理沖擊的過(guò)程,開(kāi)發(fā)和執(zhí)行測(cè)量碎片瞬時(shí)數(shù)據(jù)的算法,可準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)碎片對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的潛在危害性。
美空軍今年繼續(xù)其內(nèi)流體動(dòng)力噴射模型研發(fā)和驗(yàn)證項(xiàng)目(HARM),在2017財(cái)年第一階段項(xiàng)目獲得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,該項(xiàng)目在2018年4月進(jìn)行了第2階段的規(guī)劃,并在8月和9月進(jìn)行測(cè)試,進(jìn)一步深入研究和測(cè)試入射彈藥對(duì)燃料箱的傷害。項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)基于物理的建模,利用測(cè)試數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析手段,開(kāi)發(fā)一套與入射彈道、流體動(dòng)力噴射相關(guān)的基礎(chǔ)物理分析模型。這個(gè)項(xiàng)目最終將形成一種可快速運(yùn)行的工具,用于預(yù)測(cè)燃料箱產(chǎn)生缺陷或出現(xiàn)漏洞時(shí)評(píng)估中其內(nèi)部燃料噴射的時(shí)間。第2階段HRAM項(xiàng)目的測(cè)試將利用大型燃料箱和特制的壓力傳感器浸沒(méi)在流體中完成。
來(lái)自在美空軍的照片,在上半部分照片中,一臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝了HRAM項(xiàng)目的試驗(yàn)過(guò)程,2018年,美空軍評(píng)估了飛機(jī)燃料箱易穿透的威脅。碎片對(duì)結(jié)構(gòu)的影響的過(guò)程從左到右發(fā)生。在圖片右側(cè)可以看到燃料罐內(nèi)產(chǎn)生的氣泡。由此產(chǎn)生的流體噴射從左側(cè)的沖擊孔中流出。該研究在俄亥俄州賴特——帕特森空軍基地進(jìn)行(美空軍圖片)
2018年,美空軍通過(guò)執(zhí)行一系列測(cè)試,繼續(xù)進(jìn)行燃料箱耗損蒸汽易燃漏洞研究,表征模擬碎片的摩擦和碰撞導(dǎo)致與燃料箱耗損蒸汽反映引發(fā)火災(zāi)的弱點(diǎn)。燃料損耗量與燃油溫度都與飛行場(chǎng)景、高度和作戰(zhàn)突圍的模擬情況息息相關(guān)。這一系列的測(cè)試在不同的燃燒條件、燃燒位置、燃料儲(chǔ)存高度/水平、不同幾何條件和內(nèi)部壓力來(lái)評(píng)估模擬在燃料箱內(nèi)部空間產(chǎn)生燃燒的情況。三個(gè)不同的燃料箱,容量包括2100升和3790升(1,000和550加侖),在2018年1月至7月期間裝載Jet A燃料進(jìn)行了測(cè)試。為了模擬在高海拔地區(qū)可能遭遇的威脅,燃料箱還在低真空條件下進(jìn)行了測(cè)試,這是生存力委員會(huì)的第一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。試驗(yàn)?zāi)軌驈?8.6千帕(14.3 PSIA)的大氣壓條件下開(kāi)始進(jìn)行,最低可低至20.7千帕的壓力條件。在這一系列的測(cè)試過(guò)程中,研究人員在燃料箱內(nèi)部模擬進(jìn)行了缺口處爭(zhēng)氣耗損的點(diǎn)燃試驗(yàn),迄今位置已進(jìn)行了超過(guò)300次測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)將被用于飛機(jī)燃料箱設(shè)計(jì),并正在轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮馂?zāi)預(yù)測(cè)模型。該測(cè)試系列還研究了在燃料箱模擬器內(nèi)進(jìn)行的一系列排氣缺量點(diǎn)火試驗(yàn)。迄今已進(jìn)行了300多次測(cè)試。數(shù)據(jù)被用于飛機(jī)燃料箱設(shè)計(jì),并正在轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮馂?zāi)預(yù)測(cè)模型。該測(cè)試系列還研究了在燃料箱模擬器內(nèi)進(jìn)行的一系列排氣缺量點(diǎn)火試驗(yàn)。迄今已進(jìn)行了300多次測(cè)試。數(shù)據(jù)被用于飛機(jī)燃料箱設(shè)計(jì),并正在轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮阑痤A(yù)測(cè)模型。
在民用航空方面,2018年4月發(fā)生在美國(guó)西南航空公司航班上的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片安全罩上的事故,表明了為了隔離噪聲而設(shè)計(jì)的安全罩,也無(wú)法阻止發(fā)動(dòng)機(jī)外部產(chǎn)生的額外的分離零部件損壞機(jī)身。美國(guó)通用電氣-法國(guó)賽峰聯(lián)合生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)有24片金屬(鈦)葉片,其中一片葉片由于金屬疲勞破壞而導(dǎo)致了從根部斷裂分離。葉片分離很少見(jiàn),全世界每年也僅僅發(fā)生3到4次。西南航空公司發(fā)生的這期葉片脫離事故,雖然有安全罩的保護(hù),但它依然進(jìn)氣口和渦輪扇罩造成了較大的沖擊損壞,這也導(dǎo)致了大塊碎片分離并對(duì)機(jī)翼和機(jī)身造成損壞。其中一片葉片撞擊并打碎了航班窗口,并對(duì)乘客造成了致命傷害。萬(wàn)幸的是,飛機(jī)最終利用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安全降落在費(fèi)城。利用單發(fā)完成飛行和降落也正是生存能力體現(xiàn)的重要案例。
(中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心 陳濟(jì)桁)
本篇供稿:系統(tǒng)工程研究所 運(yùn) 營(yíng):李沅栩
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