飛機的冰雹抗撞設計

王軍朋

每次有飛機在空中被冰雹撞擊的新聞報出，都會有人問：現(xiàn)代科技這么發(fā)達了，為什么躲不開冰雹？

其實，飛機在飛行過程中，冰雹是相對飛機作高速運動的，因而即使飛行員看到有冰雹，也不可能來得及做出反應來躲開冰雹的撞擊。

而機載氣象雷達也只能探測到與“水汽”相關的天氣現(xiàn)象，比如大雨、濕雪、厚厚的云層等等，并不能給飛行員一個前方是否有冰雹的準確報告。飛行員只能根據(jù)回波和邊緣輪廓，結合專業(yè)知識和經驗進行主觀判斷。最新的雷達技術也只能根據(jù)氣象學模型“預測”、而非探測到冰雹的存在。所以，即使是具備冰雹預測功能的最新型雷達，依然無法保證不遺漏任何冰雹的存在。

肉眼看不到，雷達掃描不出來，所以飛機在天上要完全規(guī)避冰雹的襲擊，幾乎是不可能的。為了保證飛行安全，飛機在設計中都要加入抗撞設計。

冰雹撞擊的特點

抗撞設計怎么搞？防護緩沖加疏導！

盡管民用飛機在航線選擇上會盡量避免氣象條件較差的、易出現(xiàn)冰雹的區(qū)域，但航行中遇到冰雹襲擊有時卻是不可避免的。冰雹災害因其突發(fā)性強、來勢猛、數(shù)量多、強度大的特征，有可能導致飛機結構被破壞，影響飛行安全性，威脅成員安全并可能造成經濟損失。

一般而言，飛機風擋、機頭鼻錐、機翼前緣、發(fā)動機進氣道、油箱、雷達整流罩、駕駛艙門窗等處迎風面積大，最容易受損，且各部分破壞模式不盡相同。如風擋、艙門窗，猛烈的冰雹撞擊能夠在較短時間內使這些部位產生裂紋，在極端情況下甚至可以擊穿玻璃、危及生命安全。對于機頭鼻錐處，高強度的大量冰雹撞擊，可能直接導致機頭的錯位甚至直接斷裂脫落。而且，在同一次冰雹事故中，多種損傷形式可能集中出現(xiàn)。

同飛鳥撞擊相比，冰雹撞擊有如下三個特點：

一是冰雹撞擊必是小質量體群體撞擊;

二是冰雹剛度較鳥體大，在相同速度和質量的情況下，撞擊載荷更高;

三是冰雹撞擊威脅空域更廣，在0～10千米高度范圍內都可能發(fā)生。

冰雹撞擊研究的難點

近年來，無論是美國的FAR、歐洲的JAR，還是我國的CCAR，都對飛機結構提出了專門的要求，以保證結構受到大量冰雹撞擊后仍能保持其安全飛行和著陸的功能。1984年FAA在咨詢通報《復合材料飛機結構（AC20-107A）》中，對包括冰雹在內的離散源撞擊飛機結構的沖擊安全問題有專門的規(guī)定，所有即將投入商業(yè)運行的飛機的設計必須嚴格滿足相應的離散源撞擊指標。中國民用航空規(guī)章第25部《運輸類飛機適航標準》 [CCAR-25R4]也規(guī)定了結構元件不能因包括冰雹在內的離散源損傷而失效。

冰雹與靶體碰撞的微觀過程發(fā)生在區(qū)間很小的毫秒級時段內，沖擊特性上更多體現(xiàn)為非線性的復雜沖擊動力學問題。由于相對速度較高，所以靶體在碰撞中將承受強動載荷的沖擊，需采用沖擊動力學分析手段，才能夠更準確客觀地對這個問題進行相對準確的分析。

目前研究冰雹的手段主要有工程算法、數(shù)值分析和物理實驗三種，數(shù)值分析與物理實驗是研究的主流手段。

冰雹撞擊問題研究的復雜性和技術難點體現(xiàn)在如下三個方面：

冰雹從與靶體的接觸到最后破碎變形，具有大變形、幾何非線性的特點，冰雹材料本身因其復雜晶體結構很難被模擬，同時又因為應變率的波動而呈現(xiàn)出很強的非線性特征。

高速撞擊過程會給冰雹粒子產生較大的應變率，而應變-應力曲線的不明確性使其本構模型很難描述，材料參數(shù)不易獲取。

冰雹撞擊地面模擬實驗較為困難。主要困難在于自然冰雹為多晶結構，而實驗室人工模擬冰雹多為單晶，兩者力學屬性差異性較大。此外，真實撞擊中為多冰雹大面積連續(xù)撞擊過程，很難在實驗室環(huán)境中進行模擬。

抗冰雹撞擊設計的三種思路

當前民機抗冰雹撞擊設計有三種主要思路：

對于內部電子元件和管路結構，提高蒙皮的抗沖擊能力或前端設計防護結構，以避免或減輕冰雹等離散源的撞擊威脅;

采用蜂窩等吸能結構填充，減緩撞擊載荷;

采用能量疏導方式，將撞擊動能分流導出，降低結構失效破壞風險。

目前，我國在民機抗冰雹撞擊研究方面已經取得了一定的成果。在實驗能力方面，中國航空工業(yè)集團強度所自主創(chuàng)新設計了冰雹撞擊實驗系統(tǒng)，填補了航空工業(yè)在研究冰雹撞擊研究實驗能力方面的空白;掌握了實驗室人工模擬冰雹制備技術，廣泛應用于結構抗冰撞測試與驗證。目前該系統(tǒng)在飛機結構、發(fā)動機抗冰雹撞擊驗證等方面取得廣泛應用。

在分析水平方面，強度所建立了冰雹動態(tài)本構、冰球數(shù)值模型，進行了大量冰雹撞擊飛機結構動響應的數(shù)值分析，有力地支撐了結構抗冰雹撞擊設計評估。