龔堯南

飛機(jī)是最精密的機(jī)器之一，它集中了一切現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的新成就，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷地向科學(xué)工作者提出新的問題，要求他們及時解決，從而推動科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

大體說來，這些現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用可以歸納為五個方面，即：構(gòu)造、工藝、空氣動力、強(qiáng)度以及設(shè)備。這里我們將著重談一下強(qiáng)度的問題。

飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算在飛機(jī)設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位。每一架新飛機(jī)的產(chǎn)生包含著許多強(qiáng)度計(jì)算工作者及試驗(yàn)人員的辛勤勞動，沒有這些計(jì)算和試驗(yàn)，人們是無法獲得合理的(既輕而又安全可靠的)飛機(jī)結(jié)構(gòu)。一般所謂強(qiáng)度就是指承受外載荷的能力(承載能力)，但是，我們在這里所說的飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算，不僅是指計(jì)算飛機(jī)和它各個部件(如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落架等)的承載能力，而且還包含著更為廣泛的內(nèi)容。如果粗略地劃分一下，那么我們這里所說的強(qiáng)度計(jì)算包括：(一)確定外載荷；(二)計(jì)算飛機(jī)及其部件的靜力強(qiáng)度；(三)計(jì)算飛機(jī)及其部件的動力強(qiáng)度。

飛機(jī)在空中飛行及在地面滑跑時，受到空氣動力(如升力、阻力等)和地面反作用力的作用，這些力在飛機(jī)使用過程中是千變?nèi)f化的，它們的大小和分布情況與飛機(jī)的飛行高度、飛行或降落的速度和姿態(tài)，飛機(jī)的類別(旅客機(jī)，殲擊機(jī)，轟炸機(jī)等等)有著密切的關(guān)系?？墒?，究竟應(yīng)該按哪些飛行或降落的姿態(tài)來計(jì)算飛機(jī)的強(qiáng)度呢？在這些姿態(tài)中又有些什么力作用在飛機(jī)上，而且它們的數(shù)值和分布又是怎樣的呢？很明顯，如果低估了這些力的數(shù)值，或者遺漏了什么嚴(yán)重的飛行或降落情況，就會使飛機(jī)在使用過程中失事；但如果高估了這些力的數(shù)值，又會使飛機(jī)增加不必要的強(qiáng)度(也就是要增加飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量)而降低了它的性能。于是，確定用來計(jì)算飛機(jī)強(qiáng)度的飛行或降落情況(叫做設(shè)計(jì)情況)以及與這些情況相應(yīng)的外載荷的數(shù)值和分布，就成為強(qiáng)度計(jì)算工作者(及氣動力計(jì)算工作者)的一項(xiàng)重要任務(wù)。通常它們是由專門的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行長期的理論研究和試驗(yàn)，并在實(shí)踐中加以驗(yàn)證而規(guī)定下來的；隨著飛機(jī)的發(fā)展，它又不斷地改變。

有了這些外載荷以后，下一步就是計(jì)算飛機(jī)在靜力作用下的強(qiáng)度和變形(或者是剛度)，所謂靜力是指(相對地)穩(wěn)定的載荷。靜力強(qiáng)度的計(jì)算方法不是一成不變的，它隨著飛機(jī)的發(fā)展而發(fā)展著。在本世紀(jì)的二十年代，飛機(jī)的構(gòu)造非常簡單，那時計(jì)算飛機(jī)強(qiáng)度的方法也是非常簡單的。后來為了提高飛行速度，人們采用了金屬的薄板來作為飛機(jī)的外表皮(蒙皮)以減少阻力。這就是我們常說的薄壁結(jié)構(gòu)。由于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)有了這一改變，強(qiáng)度計(jì)算工作者就必須要探索和制訂出一套適應(yīng)于這一新結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。從四十年代以來，又相繼出現(xiàn)了氣密座艙，后掠式及三角形的機(jī)翼，蜂窩結(jié)構(gòu)等新的構(gòu)造型式，強(qiáng)度計(jì)算工作者通過他們的頑強(qiáng)勞動及時地解決了或正在解決這一系列的新問題。結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜及快速電子計(jì)算機(jī)的問世正在使強(qiáng)度計(jì)算的方法向著與這個新技術(shù)相協(xié)調(diào)的方向轉(zhuǎn)變。

這里必須提到強(qiáng)度試驗(yàn)工作。它對計(jì)算方法的發(fā)展起了非常巨大的作用，人們常常從試驗(yàn)結(jié)果的分析或者從對試驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象的觀察中找到計(jì)算方法。當(dāng)然，試驗(yàn)技術(shù)本身也是在發(fā)展的，它從原先簡單的機(jī)械式測量改變到今日的大量應(yīng)用電子學(xué)方面的一切新成就，試驗(yàn)工作中的自動化程度也在日益提高?，F(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析這門學(xué)科已經(jīng)是強(qiáng)度計(jì)算中的一個不可或缺的重要組成部分了。

強(qiáng)度計(jì)算的任務(wù)還不僅是要說明在某些外載荷作用下結(jié)構(gòu)是否會破壞，而且更重要的是要尋覓最合理的結(jié)構(gòu)形式。如果幾種不同形式的結(jié)構(gòu)可以承受相同的載荷，必然，重量最輕的那一種結(jié)構(gòu)是最合理的。強(qiáng)度計(jì)算工作者應(yīng)該找出為設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)所必需的一些原則和方法。

但是，飛機(jī)在使用過程中所受到的載荷并不經(jīng)常都是穩(wěn)定的。們往往在有規(guī)則地或不規(guī)則地重復(fù)著。最簡單的兩個例子就是由于發(fā)動機(jī)的振動和在不平靜氣流中飛行時在飛機(jī)上產(chǎn)生的重復(fù)載荷。它們會使飛機(jī)或它的某些部件發(fā)生疲勞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損毀。如果在靜載荷作用下結(jié)構(gòu)能承受(比方說)100公斤的力，那么當(dāng)它在承受重復(fù)作用的載荷時也許就只能承受40公斤或甚至更少。因此，強(qiáng)度計(jì)算的另一個任務(wù)就是要求得重復(fù)載荷對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，或者找出消除疲勞的有效方法。這就是動力強(qiáng)度問題的一部分。動力強(qiáng)度中的另外一些內(nèi)容由于生產(chǎn)實(shí)踐的需要而進(jìn)行大量研究的結(jié)果，到今天已經(jīng)形成了一門新的學(xué)科——空氣彈性力學(xué)，并且在飛機(jī)設(shè)計(jì)中占著愈來愈重要的地位。

空氣彈性力學(xué)所研究的，是由于結(jié)構(gòu)的彈性(而產(chǎn)生的變形)和相對于飛機(jī)流動著的空氣的交替作用而產(chǎn)生的效果。比方說，飛機(jī)的機(jī)翼在飛行中受到外界偶然的擾動而增加了它的變形，變形的增加反過來又導(dǎo)致作用在機(jī)翼上氣動力的增加。超過某種特定的飛行速度以后，這部分增加的氣動力又使機(jī)翼繼續(xù)變形。這樣反復(fù)相互影響的結(jié)果，機(jī)翼很快就破壞了。這種現(xiàn)象叫做“擴(kuò)散”，這個特定的飛行速度就叫做發(fā)生擴(kuò)散的“臨界速度”。在處理這個問題時，我們的任務(wù)首先就在于求出臨界速度和結(jié)構(gòu)彈性之間的關(guān)系，看看這個速度是否低于飛機(jī)的最大飛行速度，如果低于的話，應(yīng)該怎樣最有效地來提高它，保證飛機(jī)在所有的飛行條件下都不致產(chǎn)生這種現(xiàn)象而破壞。屬于空氣彈性力學(xué)范疇的問題尚有副翼的“反逆”，機(jī)翼、尾翼以及細(xì)長體機(jī)身的“顫振”，尾翼的“脈振”等等。當(dāng)飛行速度接近或超過音速時，結(jié)構(gòu)尺寸的選擇常常是基于這方面的考慮。

最近幾年，由于飛機(jī)的飛行速度迅速提高，因而產(chǎn)生了一個嚴(yán)重的新問題，這就是“熱障”。當(dāng)飛機(jī)以高速度飛行時，空氣和飛機(jī)的外表面由高速摩擦而產(chǎn)生了大量的熱，增加了飛機(jī)的表面溫度，這就是氣動力加熱。飛機(jī)的飛行速度愈高，飛機(jī)外表面的溫度也愈高，例如當(dāng)飛機(jī)以三倍于音速的速度飛行時，飛機(jī)的表面溫度可以高達(dá)295℃。氣動力加熱不僅使材料的性能大大降低，而且會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生額外的力。氣動力加熱的影響，使以往在疲勞、空氣彈性以及結(jié)構(gòu)承載能力的計(jì)算等方面所取得的成果必須重新加以考慮。實(shí)驗(yàn)的條件也復(fù)雜了，必須在實(shí)驗(yàn)室中同時模擬飛機(jī)瞬時受到的力和溫度。這就是目前對飛機(jī)強(qiáng)度計(jì)算工作者提出的新課題。

由此可見，強(qiáng)度計(jì)算這門學(xué)科發(fā)展得快還是慢會影響到航空發(fā)展的速度，雖然在今天來說強(qiáng)度計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)有了極為豐富的內(nèi)容，解決了許多新問題，但是離開我們征服宇宙的要求還有相當(dāng)一段距離，還有許許多多工作等著我們?nèi)プ?，?qiáng)度計(jì)算這門學(xué)科尚有待我們?nèi)ミM(jìn)一步發(fā)展，需要有更多的人參加到這個行列中來。年青的航空愛好者要有這樣的宏偉志愿：決心為征服宇宙的偉大理想，為祖國的航空事業(yè)和共產(chǎn)主義建設(shè)而貢獻(xiàn)出自己的一切。