五千年(敝帚自珍)

主题:【原创】盘点一下印度LCA战机2011年的表现 -- daharry

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家园 河里牛人无数,老大可不敢当。

早年搞过一些复合材料损伤的东西,虽然不靠力学吃饭已有十年,但依稀仿佛还记得一些,试着说说吧。

首先回答您的问题,复合材料和过载没有本质的联系。在航空领域,过载是指气动力(包括升力阻力)和发动机推力的合力与飞行器自身重力的比值。这个跟材料无关,复合材料用量很少的战斗机(如F15)的可用过载比复合材料占一半重量的787要大得多。

那么同样的发动机,同样气动布局,如果使用了更轻的材料,是不是可以达到更大的过载呢?答案是可以。事实上,现代战机的气动力设计完全可以使飞机的过载达到十几个g,但工程上,由于飞行员承受力的原因,通常不会这样干,而是靠飞控系统把过载限制在-3g ~ +9g这个区间。而飞机的结构和强度设计都要围绕这个区间进行。

结构设计要满足功能上的要求,而从强度设计的角度来讲,就是要让结构在满足功能和强度要求的条件下,尽可能的轻。当年一位前辈对我们说,你们的工作,就是为了减轻每一克重量而奋斗。

为了达到又强又轻的目的,一般从两个方面考虑。首先是承力结构选择。不同的结构有不同的受力特性,根据机体不同部位的受力不同,选择不同的结构,可以达到比较好的减重效果。举个例子,我们常见的薄壁管结构的特点是抗扭比较强,轴向抗拉一般,抗压很烂(因为会失稳),所以对于以扭转受力为主的部位,使用管状结构要比使用一个实心杆轻得多。这个设计思想与使用的材料无关。在合理的结构确定后,另一个减重措施就是选择合适的材料了。材料的特性涉及到几个方面,包括强度(承受载荷的能力),模量(在给定载荷下变形的大小),密度以及造价。在给定载荷的情况下,材料强度越大,密度越小,结构重量就越轻。复合材料(在航空结构上我们使用的主要是碳纤维复合材料)就是一种高强度,高模量,低密度,高价格的材料。这也是合理使用复合材料可以减重的原因。在碳纤维复合材料领域,日本东丽是水平最高的,我上面说的T300/T700/T1000其实就是不同系列东丽的碳纤维,因为作的太强,其他厂商也就拿它作标准了,通常也说我们这是TXXX的纤维。TXXX代表的是强度,数值越高强度越高。其实碳纤维还有一个模量数据,东丽用MXXJ代表,一般大家也不怎么在意,但是真正作受力结构时,模量也是很重要的指标,因为很多结构对变形也很敏感。用低强度的碳纤维作高受力结构是一件不得已的事情,超重是不可避免的。高强度碳纤维对兔子是禁运的,但是对印度到未必,所以LCA上很可能颇用了一些高级货。我前文说印度这么干,是一种典型的“不惮以最大的恶意揣测印度”的行为,有点儿小坏,这里检讨一下。

碳纤维复合材料有一些有意思的力学特性。比如,由于纤维铺设有方向性,复合材料可以是各向异性的。也就是说,可以设计材料的强度特性,这对解决一些诸如前掠翼气动弹性发散的问题有很大帮助。再比如,复合材料层合结构对高速冲击不敏感,但比较怕低速冲击。也就是说,复合材料机翼挨了一枪可能问题不大,但是被掉落的扳手砸了一下,大概就要悲剧。这些特性对复合材料的使用和维护都有比较大的影响。

除了前面说到的结构和材料,还有一个强度设计水平和经验的问题。飞行器的强度包括几个方面,一个是静强度,一个是疲劳强度(还有一个损伤的问题,这里不说了)。静强度指的是结构承受最大载荷的能力,这方面计算方法比较成熟,我上学的那会儿,计算和实验误差也就百分之五以内。通常说的全机静力试验就是用来验证静强度的。疲劳强度描述的是在交变载荷下,结构的使用寿命。测试材料的疲劳强度,通常是把标准试件放到疲劳试验机上不停的搞(拉-压载荷),直到坏掉,看看寿命有多少个载荷周期。与静力试验的试件不同,即使是同样材料,同样工艺甚至同一批做出来的试件,疲劳寿命也可能有很大差异,可以从几百个周期到几十万个周期,简直是无限可能――这样就比较搞了。为了看起来不那么搞,广大的科技工作者想出了一个很好的办法:就是对寿命取一个以10为底的对数。这样一来,100周变成了2,1000变成了3,10000变成了4,感觉也就相当凑合了。为了应付这不靠谱的疲劳寿命,算出来的东西必须除个安全系数才敢用,而这个安全系数完全靠经验――不是个人的,而是整个飞机工业的。比如老美造了几十万架飞机,天上死了几万人,自然是徘徊在牛A与牛C之间,所以取个2.6吧。兔子比较面,经验少,只敢用3.4,印度嘛,俺也不知道。所以说,同样的材料,在相同设计水平下,老美的东西也会比兔子的轻,或者,同样重量,结构寿命比兔子的长。这个是拿命换来的,买不来。

唠唠叨叨这么多,可以看到,力学水平,结构设计,材料选择,工程经验以及最终的加工制造,都对飞机的重量有很大的影响。这些因素的综合也许是LCA超重的原因。如果超重太多,被迫减重,那么结果很可能就是结构被削弱导致可用过载下降,达不到设计的9g。

这篇水文,是本菜凭着对力学仅存的一点记忆写的,大哈瑞兄看看就好,千万别太当真。我的导师看到这个东西,大概是要骂娘的。

通宝推:潮起潮落,pipilu,铁手,daharry,

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