刘峰丨像人一样，飞机也会疲劳

在实验中，

机身机翼结构要做到比实际寿命多2倍，

也就是说要做到3倍寿命，

才能证明这架飞机的设计是合理的、安全的。

刘峰中国民用航空飞行学院教授

格致论道第30期 | 2018年9月20日 四川

大家好，我叫刘峰，来自中国民用航空飞行学院，非常高兴来到这里和大家分享我的航空故事。

对中国人来讲，其实中国古代很早就有飞天的梦想。

▲ 敦煌壁画《飞天》

这是一幅敦煌壁画——《飞天》。敦煌壁画是从北朝到元代，历经数十个朝代形成的壁画。从这里就可以看到，我们的祖先一直都有飞天的梦想。

▲ 明代万户雕像

明代的时候，有一个叫万户的人，他把火箭绑在了椅子上，希望借助火箭的动力飞上天空。当然受限于当时的技术条件，没有能够实现，他也因此失去了自己的生命。

1903年，莱特兄弟造出了第一架有动力的、密度上重于空气的飞行器，随后他们进行了一次持续的飞行，这就是现代航空史的开端。

▲ 莱特兄弟和他们的飞机

▲ 中国飞行家冯如

在同一时期，中国人在干什么呢？我们有没有人也在从事相关的研究呢？其实是有的。他就是冯如，一位中国飞行家。

当时，冯如制造了两个型号的飞机，一个是冯如1号，一个是冯如2号。他从美国回到中国，在中国进行了试飞。遗憾的是，1912年，冯如在一次试飞中，由于飞机失事失去了自己的生命。

在那个年代，人们在考虑飞机安全性的时候，主要考虑的是飞机飞上天之后会不会坏，机翼会不会断裂，机身上面会不会有裂纹等这类问题。

▲ 地面实验使用沙袋模拟分布载荷

受限于当时的技术条件，在地面做试验的时候，他们用的是沙袋，这些东西我们现在都可以经常见到。

当时没有计算机辅助，也没有液压设备，怎么办呢？航空先驱们就采用沙袋进行加载。沙袋有什么好处？飞机飞行的时候，作用在飞机上的载荷是气动力载荷，气动力载荷是一种分布载荷，用沙袋可以非常好地模拟分布载荷的效果。

这里我给出第一个关键词，就是强度。强度是什么？实际上这个概念很简单，用一句话来说就是，结构抵抗破坏的能力。讲到结构破坏，它一定是有载荷上去才会产生破坏。

飞机的升力是飞机最主要的载荷之一，究竟它是怎么产生的？我们来看一下。

▲ 飞机升力产生的机制

大家现在看到上图是一个对称的翼型，它是一个二维图形，实际上你可以把它看成是飞机机翼的横截面。

我们会发现，翼型的迎角在逐渐增大，向上偏转，上翼面的气流逐渐开始紊乱——最开始还是层流状态，流动的非常均匀，迎角大到一定程度，上翼面气流就完全分离了。升力其实就是利用机翼划过空气的时候，上下翼面之间的压差来产生的。

上翼面气流为什么会分离？我讲一个很小的事例，大家就都知道了。大家都见过烟柱，农村都有烟囱，烟囱出来的烟最开始是很稳定的，它是直直的向上运动，当运动到一定距离的时候，由于烟柱里面的空气跟旁边的空气产生了摩擦，因此它逐渐产生了抖动，抖动以后会产生乱流。

机翼上表面也是一样的，空气会跟飞机的上翼面产生摩擦，由于摩擦阻力的作用，上翼面气流的速度会下降，逐渐产生紊流。这是升力产生的基本原理，也是上翼面气流从正常层流到失速的一个过程。

考虑了载荷和强度，飞机是不是就安全了？实际上并不是，那还有什么问题呢？

▲ 飞机在飞行中会产生变形

航空先驱们发现，最早期的一部分飞机只考虑了强度问题，其实飞行中还会出现其他问题，比如说飞行中机翼的变形量太大。我们现在知道，飞机在飞行的时候机翼会向上弯曲，实际上除了向上弯曲的变形之外，机翼还会产生扭转。

高速飞行的时候，如果机翼太软，机翼会产生振动。振动会包含两个模态，一个是弯曲的模态，还有一个是扭转的模态，两个模态会叠加在一起。如果机翼在空中出现颤振，那么飞机就会在很短时间内解体。

▲ DC-3飞机

吸取了这个教训之后，工程技术人员开始关注刚度的问题，也就是说我们要让机翼有一定的硬度，不能够让它变形太大。

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

这张图片更加的惨烈，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，什么问题呢？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。我们既然能分析到这个程度，飞机为什么还会出问题呢？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。

▲ 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。

考虑疲劳问题之后还有没有其他问题？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。

如果这些情况没有被注意到，在飞机运行中，在疲劳载荷的作用下，比如之前提到的弯曲载荷、扭转载荷，初始损伤就会慢慢扩展，一直到出现断裂。

▲ 陆萨卡空难货机的故障位置

怎么解决这个问题？在陆萨卡空难后，我们的专家提出了下面这个关键词，损伤容限。损伤容限是什么意思？就是我们应该认为，飞机在出厂时本身就是带有缺陷的，我们应该采取措施来限制缺陷的发展。

采用什么措施呢？第一，我们可以规定多大的损伤是可以接受的，出厂的时候，这个损伤在整个寿命期内都不会导致飞机出现灾难性的后果。

第二，我们可以给飞机设定检查的间隔。到了检查的时间，我们就对飞机的结构进行一定程度的检查，发现问题及时处理。

上述这些都是我们可以解决问题的方法。美国空军在1971年的时候就提出了这么一个标准，到1975年提出了损伤容限的试航规范。

前面大概回顾了一下我们结构发展的历史，现在我们看看结构设计思想的发展过程。为什么会发生这样一个变化，实际上跟我们的航空技术有关系。

从设计角度来讲，大家可以看到，我们现在借助计算机技术和计算流体力学技术，可以很准确地计算出一架飞机在穿越空气的时候，它表面的速度场是怎样分布的。

▲ 飞机速度场分布的可视化

在这个空间当中，每一个点的速度有多大？速度是指向哪个方向的？每一个点的压力有多大？每个点的涡量是多少？然后以一种可视化的方式呈现给大家。平时我们接触的空气都是透明的，但通过计算机技术我们能够看到。

▲ 利用计算机设计和组装飞机

另外，我们还可以在计算机上对飞机进行详细的设计。在计算机上对飞机进行组装，甚至可以把设备一起装上去，这在以前是不可想象的。

以前如果设计一款飞机都是用手工来画图纸，一个型号的飞机从开始研制到能够交付用户，大约要20年。一名飞机设计人员，一辈子能参加1～2个型号的飞机设计就很不错了。但是现在有了计算机技术辅助，一个型号的飞机大约5～6年就可以做出来。

▲ 部件受力情况的可视化

还有结构受力的情况，我们也可以以一种可视化的方式展现给大家。这是飞机起落架上常见的东西，叫抗扭臂，越鲜艳的部分就是受力越大的部分，我们可以通过计算结果对结构进行优化。

这个结构的截面是不是需要这么大？如果应力或是受力比较低，我们可以把材料减少一点，飞机就可以变得更轻一点。我们还要考虑环保问题，飞机在飞过天空的时候有噪声，噪声一方面会影响居民生活，另外一方面噪声也是飞机的载荷。

▲ 飞机受力可视化

大家知道声音是振动的，如果我们所处的空间是真空的，大家就听不到我说话的声音。声音是质点振动，质点振动就会产生应力的影响。所以声音也是一种载荷，也是我们要关注的。从设计的角度，我们需要考虑这些问题。

从制造角度来讲，我想提出一个关键词，就是复合材料。我们现在制造飞机，除了常见的铝合金，先进飞机上往往会采用复合材料。

复合材料这个东西并不新鲜，我们的老祖宗一直在用，什么时候在用呢？比如中国古代筑墙的时候，要用稻草、秸秆和着泥土，甚至再加一点糯米浆。这实际上就是一种典型的复合材料，秸秆是其中的增强体，而泥土和糯米浆就是基体。

▲ 复合材料

现在航空上用的复材主要是碳纤维增强复合材料。碳纤维的强度有多高呢？简单来讲，它至少会比一般的钢材大五六倍以上，现在最好的碳纤维甚至可以达九到十倍。

大家想想看，同样的一个力，我们用强度高的东西去承载，重量自然就会下降，而且碳纤维这种材料的密度比钢铁还低很多，这样就使飞机越来越轻，载重量越来越大，航程越来越远，性能也越来越好。

平时坐飞机，大家进客舱踩的那个地板就是一个蜂窝夹芯的复合材料，像A340和A330的地板有多厚呢？大家可能想不到，只有大约五六毫米，非常薄。但是你踩在上面不会觉得有很大的变形，不会踩到凹下去。因为它是碳纤维做的，刚度很好。

▲ 铝蜂窝板

除了我们用聚合物的蜂窝之外，还会用到一些金属蜂窝，比如铝蜂窝。可以用铝蜂窝来做夹芯材料。

▲ A380上的各种复合材料

在A380飞机上，采用了大量的复材进行制造。

讲完制造，我们来讲讲试验。刚才讲了，工程当中我们不能完全依靠分析，必须要有试验来验证。

▲ 787飞机静力试验

这是787飞机在做静力试验，这是个静态图，我们再看看动态图。

▲ 787飞机在做静力试验

大家可以看到，机翼在液压机械和电脑的控制下，整个机器发生弯曲，跟大家平时看到的机翼变形量有什么不一样呢？它的变量更大，因为我们这里要看它的极限状态。

▲ 777飞机机翼破坏试验

这是777飞机机翼破坏的视频。我们要看一看，它破坏的时候，载荷是不是跟我们设计的一样。这就是一些我们的试验手段。

▲ A380起落架落震试验

从系统角度来讲，飞机除了结构之外，还有起落架、液压、燃油、空调、引气等等很多系统。这是A380起落架在做的落震试验，模拟的是飞机接地那一瞬间起落架的状态。

▲ A380刹车装置

还有更重要的，减速用的刹车，这是A380的刹车装置。大家可以从视频中看到轮毂里面在冒火，它测试的也是一个极限的刹车状态，经过这些试验之后，才能确保飞机飞行的时候是安全的。

除了飞机本身之外，还有什么因素影响安全呢？还有一个很重要的因素就是人为因素。有统计数据显示，70％～80％的航空事故，是由于人为原因造成的。

▲ 模拟飞机着陆

像这架A330飞机在着陆的时候，由于机长判断失误，没有及时进行复飞，所以飞机落地的时候已经到了跑道的中间，最后它冲出了跑道。

怎么样来避免人为的差错？我从飞机的飞行控制系统来举个例子，现在飞机的操纵系统有两大类，一类是机械的，我们用液压来进行助力，还有一类是电传的，在图上，大家能看到飞机的很多操纵面，它能控制飞机的抬头、低头、俯仰、横滚，还有偏航。

▲ 飞机的机械助力操纵与电传操纵

区别在哪里？我们看一下这张图，虽然显得很专业，但其实很简单，如果采用电传的操纵系统，飞行员的信号在发送出去之后，首先要经过计算机进行分析和处理。

举个例子，双发飞机横滚的时候，最大角度是30度，如果飞机已经滚转到了30度，飞行员还在压杆，飞控计算机就会过滤掉这个信号，改为由计算机进行控制。

下面，我们看到的是几款比较先进的飞机。

▲ 苏－35做眼镜蛇机动

这是苏－35。以前有朋友问我，航展的时候飞机为什么要拉烟？很多人说这样是为了好看，实际上，我告诉大家，它还有一个很重要的作用。

通过拉烟，我们能看到飞机附近空气流动的情况，大家看视频中的苏－35在做眼镜蛇机动的时候，机翼的上翼面气流全部分离了。

它怎么样才能恢复状态呢？苏－35用了推力矢量喷管才能恢复这个状态。

▲ X－35B测试试验

再比如，这是F－35飞机的前身：X－35B在做试验时的一段录像，这是一个能够垂直起落的飞机。

我们能看到它整个起飞的过程，尾喷管向下偏转，前方的升力风扇打开，另外在机翼上还有两个喷气口，用来控制飞机的横向平衡。飞机开始起飞了。我们甚至能看到在起飞的时候，它内部计算机在调节推力的大小。

民航领域，比如最新的A350，A380这两款飞机，现在都是很先进的飞机。A380的最大起飞重量是560吨。560吨是什么概念？一辆家用轿车大约是1吨到1.5吨，大家可以对比一下。

为了保证民航飞机的安全，我们现在有几个适航体系。比如，中国民航有自己的民用航空条例，美国的联邦航空局（FAA）也有它的适航条例，还有欧洲主要是EASA体系来保证安全。有这么多工作来保证飞机的安全，那么飞机运行过程中还会遇到什么问题呢？

▲ 鸟与飞机相撞引发的事故

大家可以看这张图，鸟撞到飞机上。一只很小的鸟，很柔弱的样子，它为什么会把飞机撞成这个样子，因为相对速度大。民航飞机和军用飞机都会考虑到这些问题，在设计的时候，就已经考虑到这些因素，在结构上做了一些布置。

▲ 恶劣天气对飞机的破坏

还有天气因素的影响，比如冰雹、雷电，我们也会做一些相应的处理。

▲ 飞机的避雷方案

比如把飞机所有的金属件连接起来，形成等势体，这样电流只会从飞机的外表面通过，而不会到里面去，所以大家遇到雷电的时候不用害怕。另外，还有气流的影响。

▲ 风力对飞行的影响

大家看一下，这架飞机在刚起飞的时候，遇到逆风，到中间的时候遇到下降气流，再往前一点又变顺风了，所以气象条件对飞机的飞行也有一些影响。除了风以外，还有就是雷暴。

我们国家现在的航空科普教育，跟航空发达国家比还差了一点。以前经常有旅客在值机台跟工作人员理论，明明机场天气很好，为什么不能飞呢？

很简单，是因为旅客不了解，虽然起飞地机场天气好，但有可能在航路上有雷暴。航路上天气好，有可能目的地机场有雷暴，所以在夏季航班延误比较多，就是因为这个原因。

为什么很多人不了解这个情况？是因为我们的航空文化知识普及还不够。实际上，我们现在已经进入了一个大众航空时代，每一个航空强国的航空普及教育都是非常强的。

▲ 航空博物馆

通过博物馆可以进行知识的传播，还可以通过一些其他的活动，比如说模拟飞行。

▲ 模拟飞行

这是一个非常好的了解航空知识的渠道，在自己家里就可以实现模拟飞行，可以模拟客机、战斗机的飞行。

▲ 无人机

另外，我们现在的无人机发展也很迅速，有很多的无人机的极客（GEEK）。他们自己设计无人机，自己来试飞无人机。

▲ 中国民用航空飞行学院自制无人飞艇

我们学校里也有这么一群人，大家看到的这几个无人机都是学生自己设计的，他们还设计了一些太阳能飞机，还有无人飞艇，有点像大海里面的水母，看起来蛮漂亮的。

这段视频拍摄的是中国民用航空飞行学院的一个校区，用的是我们自己的一款无人小飞机拍摄的，大家看一下，和你在飞机上面看到的是不是很相似。无人机也是航空文化的一种普及方式，它可以改变我们的视野。

这是一个网友拍摄的视频。大家看一看，这是一个很小的无人机，我们称为穿越机，它拍摄的画面完全改变了我们观察世界的角度。这些都是广大航空爱好者可以自己开展的活动。

未来的飞行会是什么样子？刚才我们有老师给大家讲了这个问题，我的观点和他们有点类似，一定是空天一体。在大气层内我们有相应的飞行器，比如说货运或客运。再往后发展应该是高速飞行器的时代，我们会进入到空天飞行时代。

从陆地起飞，进入到临近空间（指距地面20～100公里的空域），以高马赫速度飞行，快速到达另一个目的地，将极大地改变我们现在对距离的认识。

大家想想看，当我们没有高铁的时候，是不是觉得距离很遥远，但现在有了高铁，是不是感觉距离缩短了。所以未来世界真的会变成一个地球村。这就是我今天要和大家一起分享的航空经历，谢谢大家。

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