軍用航空技術(shù)跨界 技術(shù)、市場、人才要素三融三通

跌落的手機如何受力?兵乓球受到球拍撞擊時怎樣變形?“這些問題實際上隸屬于固體力學(xué)中的一個重要分支學(xué)科——沖擊動力學(xué)的范疇。”中國飛機強度研究所(以下簡稱強度所)所長、結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)航空科技重點實驗室主任王彬文表示。

一只小鳥就足以讓一架高速飛行的飛機機毀人亡，那么如何科學(xué)分析飛鳥撞擊時飛機結(jié)構(gòu)件的受力、變形甚至破壞情況?“這便是航空領(lǐng)域中的沖擊動力學(xué)技術(shù)需要回答的問題。”一位業(yè)內(nèi)人士告訴科技日報記者。

近日，一項由強度所申報、以航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)為重要支撐要素的《軍工科研院所基于“三融三通”的技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈構(gòu)建》摘得了2018年度國防科技工業(yè)企業(yè)管理創(chuàng)新成果一等獎的桂冠。

該創(chuàng)新成果旨在以融合大航空、大防務(wù)、大工業(yè)的市場領(lǐng)域，貫通技術(shù)、市場、人才核心要素的“三融三通”發(fā)展思路，破解軍工基礎(chǔ)科研院所產(chǎn)業(yè)發(fā)展機制不活、路徑不暢、活力不足等難題，助推軍工基礎(chǔ)技術(shù)軍民融合技術(shù)應(yīng)用。

常見的沖擊現(xiàn)象背后有大學(xué)問

為何提出“三融三通”?面對記者的提問，王彬文列舉了前文的例子。“沖擊動力學(xué)是研究在短暫而強烈的動載作用下材料行為和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一門力學(xué)學(xué)科，其應(yīng)用范圍十分廣泛。沖擊動力學(xué)相關(guān)問題在日常生活普遍存在，它同時又與航天、兵器等國防工程息息相關(guān)，如載人航天器的回收著陸、子彈穿透裝甲等。”

具體到航空領(lǐng)域，不論民機還是軍機，都會在服役過程中面臨著復(fù)雜多變的環(huán)境。王彬文指出，地面滑行階段可能遭受跑道碎石碰撞、其他滑行飛機碰撞等;起飛和低空爬升過程中，隨時面臨著飛鳥、冰雹、輕小型無人機等外來物的碰撞威脅;巡航或任務(wù)執(zhí)行階段的作戰(zhàn)飛機，可能遭受射彈、戰(zhàn)斗部破片殺傷等沖擊載荷作用，而運輸類飛機也會面臨著高空劫機下的客艙防爆抗沖擊問題，還可能遭受發(fā)動機葉片甩出造成的機匣包容性問題等;在下降和著陸階段，除了可能遭受鳥撞等外來物的碰撞外，還面臨著正常著陸或著艦過程的沖擊以及非正常著陸下的應(yīng)急墜撞等。

“飛機結(jié)構(gòu)的抗沖擊問題與服役安全密切相關(guān)，起落架是否具有良好的緩沖性能和沖擊耐久性?在應(yīng)急墜撞時機身是否能夠最大程度吸收能量以保護乘員安全?關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)是否以最小的代價取得最佳的抗鳥撞品質(zhì)?諸如此類結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)問題在航空裝備研制中都是被關(guān)注的焦點。”王彬文指出。

相關(guān)研究表明，沖擊載荷具有作用歷程短、破壞性大、不可逆等特點，相較傳統(tǒng)的靜力學(xué)問題，需考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)、結(jié)構(gòu)自身的慣性效應(yīng)和應(yīng)力波傳遞等特有的因素。在王彬文看來，航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)問題還涉及每秒數(shù)米到每秒數(shù)千米的沖擊速度，載荷的類型有外物碰撞、結(jié)構(gòu)碰撞等多種載荷作用形式，通過實驗或分析等手段開展研究會面臨諸多困難，“其關(guān)鍵技術(shù)是世界性難題”。

航空技術(shù)在軍工行業(yè)延伸

如何破題?這是以航空強度技術(shù)自立的強度所一直思考的問題。

要知道，本世紀初我國航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)專業(yè)還基本處于空白階段。但近十年來，強度所在軍用飛機型號研制中積累了大量的經(jīng)驗，形成了起落架緩沖性能設(shè)計與驗證、軍用飛機作戰(zhàn)易損性評定等軍工源的技術(shù)基礎(chǔ)，掌握了一系列航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)實驗與分析關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了多套國內(nèi)唯一的專用實驗設(shè)施，并于2015年獲批成立了國內(nèi)唯一的結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)航空科技重點實驗室。在這里，有聚焦基礎(chǔ)科學(xué)的材料與結(jié)構(gòu)沖擊性能與損傷機理研究，也有“接地氣”的起降裝置沖擊分析與實驗、離散源沖擊分析與實驗平臺。

沖擊動力學(xué)在航天、兵器等其他軍工行業(yè)應(yīng)用廣泛。那么能否打破航空與其他軍工行業(yè)的壁壘，讓這項基于基礎(chǔ)科學(xué)的技術(shù)向著更廣闊的空間延伸?“強度所一直在汲汲探索并努力著。”王彬文告訴記者，基于材料的動態(tài)吸能特性研究成果，強度所對中國航天科技集團有限公司某型航天器新型著陸回收系統(tǒng)所采用的著陸吸能材料進行了動態(tài)力學(xué)實驗，獲得了精確的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)性能，為航天器安全著陸提供了技術(shù)支撐。此外，結(jié)構(gòu)抗離散源沖擊技術(shù)研究成果還支撐了兵器工業(yè)某新型毀傷戰(zhàn)斗部研制;空氣炮自主研發(fā)成果為中物院激光聚變研究中心能源靶發(fā)射系統(tǒng)研制助力，使其精度指標達到國際先進水平。

“近五年來，相關(guān)技術(shù)已累計推廣應(yīng)用于除航空工業(yè)外的12家其他軍工單位，使其在國防軍工防務(wù)體系進行了互通融合。”王彬文說。

用“老本行”服務(wù)民用項目

與軍工體系互通融合同時開展的還有“軍民融合”。C919，我國第一款按照最新國際適航標準研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的干線民用飛機，圓了中華民族的“大飛機夢”。此前，強度所按照民航局要求對這個“大塊頭”進行了鳥撞實驗等強度測試。據(jù)相關(guān)媒體報道，一只1公斤的飛鳥以500公里/小時的速度撞擊航空器結(jié)構(gòu)時，沖擊載荷峰值往往會達到20噸以上，傳統(tǒng)做法是“真刀真槍”地將“鳥彈”從炮管里彈射出去，模擬飛鳥撞擊飛機過程，從而評估結(jié)構(gòu)的抗鳥撞安全性。但是，這種破壞性的試驗是“一次性的”，一旦試驗件受撞擊破壞后，便無法再次利用。為此，強度所基于航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)的研究基礎(chǔ)，花費了8年的時間，最終采用物理試驗和虛擬仿真進行“虛實”結(jié)合的方式縮短了試驗周期，降低了成本。

王彬文談到，結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)不僅在C919、ARJ21、AG600、MA700等十余型民機的研制中得到了應(yīng)用，還支撐了航空座椅、機載系統(tǒng)等民機配套產(chǎn)品的抗沖擊評定。在航空領(lǐng)域的“老本行”打下了堅實基礎(chǔ)之后，強度所把該技術(shù)也推廣到了軌道交通、汽車等領(lǐng)域。高鐵的車頭有著吸能技術(shù)的支撐;吉利汽車、上海通用汽車等輕量化車體主干材料研發(fā)的背后是材料動態(tài)力學(xué)性能測試與表征技術(shù)的研究成果。如果有機會在強度所里漫步，那些腳步匆匆、與你擦身而過的人很可能是來自同濟大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的科研人員。實驗儀器設(shè)施的開放共享，為多個高校的研究工作保駕護航。

十年的上下求索，換來的是航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)在60余家民營企事業(yè)單位或高等院校單位的互通融合。在這個過程中，強度所并非一帆風(fēng)順。它曾面臨著諸多困難，如沒有批量商業(yè)化的產(chǎn)品支撐、沒有成熟可借鑒的參考經(jīng)驗等，但在王彬文這位掌舵人看來，強度所作為中國航空工業(yè)集團有限公司所屬的基礎(chǔ)性科研院所，應(yīng)發(fā)揮出基礎(chǔ)技術(shù)研究的優(yōu)勢，也應(yīng)主動對接市場需求。

“沒有攻堅克難、轉(zhuǎn)型升級，哪有航空結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)技術(shù)的全要素融合、多領(lǐng)域跨越的發(fā)展格局?”王彬文說。