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【科技动向】美国航空航天学会年度回顾:美空军测试钢制碎片对铝制燃料箱的影响,评估可能发生的潜在威胁

时间:2019-10-17 来源:嘉怡时尚

201812月,美国航空航天学会(AIAA)主办的出版物《美国航空航天》(Aerospace America刊登了AIAA2018年航空技术进展的年度回顾。

在该回顾中,对于第一章“航空航天设计与结构”(Aerospace Design and StructuresAIAA共发表8篇回顾,如下:

——《结构动力学:设计世界上最大的风力涡轮机》(Structural Dynamics: Designing the worlds largest wind turbine);

——《材料学:建模领先驱动未来的材料学研究》(Materials: Modeling takes the lead in driving materialsresearch for the future);

——《结构:多种结构成形》(Structures: Multiple structures take shape);

——《多学科设计优化:新的计算工具、国际合作交织在设计过程中》(Multidisciplinary Design Optimization: New computingtools, international collaboration spell design progress);

——《非确定性方法:研究人员帮助开发人工智能,增材制造》(Non-deterministic Approaches: Researchers aiddevelopment of AI, additive manufacturing);

——《自适应结构:形状记忆材料开始成形》(Adaptive Structures: Shape memory materials begin totake shape);

——《系统工程:系统工程师向艺术领域借鉴》(Systems Engineering: Systems engineers draw lessons fromartistry);

——《生存力:美空军测试钢制碎片对铝制燃料箱的影响,评估前者对后者的穿透》(Survivability: U.S. Air Force tests steel fragmentsagainst aluminum, assesses penetration of fuel tanks)。

本篇为上述回顾中第8篇的译文。其他部分回顾的译文,请参见我中心的另一个微信公众号:“民机战略观察”(文后附有二维码,可扫码关注)。

AIAA的生存力技术委员会致力于将航空航天飞行器的生存能力推广成为一门独立设计要素,其中包括耐撞性、作战性和可修复性等因素。

为了表征和测试飞机上易受钢制碎片影响的铝制结构情况,需要测量钢制碎片进出铝制结构的瞬时强度和持续时间。20181月至20187月,美空军在俄亥俄州莱特-帕特森空军基地进行了一项冲击试验,获取冲击瞬时数据。该数据将有助于开发和验证模型,预测钢制碎片射入和射出铝制板材结构时对其产生影响持续的时间。这些数据还将有助于开发算法,以预测钢片碎片的从正面射入和从背面射出时的瞬时时间。数据的获取主要通过利用来自空军理工学院的高速摄像机和实验激光成像捕获技术实现的。这一项目目前由一个集成产品开发团队执行,目的是支持飞机下一代防火预测模型的开发。该项目的目标是生成数据,通过利用建模和仿真等手段模拟物理冲击的过程,开发和执行测量碎片瞬时数据的算法,可准确的预测碎片对飞机产生的潜在危害性。

美空军今年继续其内流体动力喷射模型研发和验证项目HARM,在2017财年第一阶段项目获得的数据基础上,该项目在20184月进行了第2阶段的规划,并在8月和9月进行测试,进一步深入研究和测试入射弹药对燃料箱的伤害。项目的目标是通过基于物理的建模,利用测试数据和统计分析手段,开发一套与入射弹道、流体动力喷射相关的基础物理分析模型。这个项目最终将形成一种可快速运行的工具,用于预测燃料箱产生缺陷或出现漏洞时评估中其内部燃料喷射的时间。第2阶段HRAM项目的测试将利用大型燃料箱和特制的压力传感器浸没在流体中完成。

来自在美空军的照片,在上半部分照片中,一台高速摄像机拍摄了HRAM项目的试验过程,2018年,美空军评估了飞机燃料箱易穿透的威胁。碎片对结构的影响的过程从左到右发生。在图片右侧可以看到燃料罐内产生的气泡。由此产生的流体喷射从左侧的冲击孔中流出。该研究在俄亥俄州赖特——帕特森空军基地进行(美空军图片)

2018年,美空军通过执行一系列测试,继续进行燃料箱耗损蒸汽易燃漏洞研究,表征模拟碎片的摩擦和碰撞导致与燃料箱耗损蒸汽反映引发火灾的弱点。燃料损耗量与燃油温度都与飞行场景、高度和作战突围的模拟情况息息相关。这一系列的测试在不同的燃烧条件、燃烧位置、燃料储存高度/水平、不同几何条件和内部压力来评估模拟在燃料箱内部空间产生燃烧的情况。三个不同的燃料箱,容量包括2100升和3790升(1,000550加仑),在20181月至7月期间装载Jet A燃料进行了测试。为了模拟在高海拔地区可能遭遇的威胁,燃料箱还在低真空条件下进行了测试,这是生存力委员会的第一个测试项目。试验能够从98.6千帕(14.3 PSIA)的大气压条件下开始进行,最低可低至20.7千帕的压力条件。在这一系列的测试过程中,研究人员在燃料箱内部模拟进行了缺口处争气耗损的点燃试验,迄今位置已进行了超过300次测试。测试数据将被用于飞机燃料箱设计,并正在转变为下一代火灾预测模型。该测试系列还研究了在燃料箱模拟器内进行的一系列排气缺量点火试验。迄今已进行了300多次测试。数据被用于飞机燃料箱设计,并正在转变为下一代火灾预测模型。该测试系列还研究了在燃料箱模拟器内进行的一系列排气缺量点火试验。迄今已进行了300多次测试。数据被用于飞机燃料箱设计,并正在转变为下一代防火预测模型。

在民用航空方面,20184月发生在美国西南航空公司航班上的发动机风扇叶片安全罩上的事故,表明了为了隔离噪声而设计的安全罩,也无法阻止发动机外部产生的额外的分离零部件损坏机身。美国通用电气-法国赛峰联合生产的发动机有24片金属(钛)叶片,其中一片叶片由于金属疲劳破坏而导致了从根部断裂分离。叶片分离很少见,全世界每年也仅仅发生34次。西南航空公司发生的这期叶片脱离事故,虽然有安全罩的保护,但它依然进气口和涡轮扇罩造成了较大的冲击损坏,这也导致了大块碎片分离并对机翼和机身造成损坏。其中一片叶片撞击并打碎了航班窗口,并对乘客造成了致命伤害。万幸的是,飞机最终利用一台发动机安全降落在费城。利用单发完成飞行和降落也正是生存能力体现的重要案例。

有关美国西南航空上述事故的分析,可参见王妙香女士2018718日在本号发表的专栏文章:“美波音737-700发动机非包容性故障分析”(点击题名可直接访问)。

本篇动向的提供者陈济桁先生已为《空天防务观察》提供3篇专栏文章,如下表:

序号

篇名

发表日期

1

日本东丽公司推出新一代碳纤维预浸料产品,拉伸强度和抗冲击性能又提升30%

201762

2

复合材料助力贝尔V-280“英勇”倾转旋翼机发展

922

3

日本东丽实施并购强化碳纤维复合材料竞争优势

2018827

有兴趣的读者,可点击相关文章的“篇名”阅读原文。

(中国航空工业发展研究中心  陈济桁)


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