从歼-10漫谈战斗机结构的一些小知识

万磁王

　　苏-27的研制过程我们必须敬畏，但总体方向却不值得效仿。落后的结构理论和计算手段，一方面使得设计者在极其频繁的设计修改中每一次都要依赖大量试验结果进行支持，另一方面又严重限制了试验内容设计安排、数据结果提取分析的水平。设计过程的低效，使苏-27研制过程中对于各种资源——尤其是试飞员生命的消耗达到了极难令人接受的地步。在当时的航空强国中，再没有任何其它国家在政治经济制度上能够容忍这样的做法。

苏-27的研制过程我们必须敬畏，但总体方向却不值得效仿

　　和苏-27不同，歼-10的结构走上了一条高效、安全，而且潜力无穷的定量设计道路。它不仅自身获得了巨大的成功，而且正在指引着今天的歼-20发展壮大。

万磁王

五：新标准背后的理论、手段与定量设计
　　歼-10在结构设计中遵循的几个主要国家军用标准系列，比如GJB67-85、776-89、775-89，它们全部是美国空军标准的引进版本；分别对应Mil-A-8860A、83444和MIL-STD-1530。这些标准不仅代表了美国空军在70年代中期对飞机结构的认识水平，而且意味着一套全新的设计、制造、使用维护体系。
　　随着飞机结构设计的要求越来越高，人们必须在截面尺寸更小的部件上实现更高的强度、刚度指标。结构中可以分担受力的冗余部分越来越少，有效的减轻部件重量的同时也带来了巨大的风险：材料中隐藏的一道微小裂纹，或者加工时留下的一条明显刀痕，都有可能在巨大的压力和反复变形作用下迅速发展成足以导致整个部件彻底断裂的贯穿性裂纹。
　　上世纪60年代中期到70年代初，以高强度使用作为导火索，轻重量、高性能的结构设计矛盾在美国飞机上集中爆发。包括F-111和F-4在内的大量新飞机结构件出现严重的断裂现象，使飞机提前报废甚至是坠毁。比如1969年一架F-111机翼解体导致机毁人亡，而这架飞机只飞行了一百多小时。
　　检测结论逼迫人们承认，制造飞机的材料和部件中必然存在着大量的微观缺陷，并导致了50%以上的结构疲劳失效；改善材料和工艺水平可以减少、但无法消除这种现象。这使飞机结构设计中开始正式引入断裂力学理论，系统性的研究结构部件裂纹如何发生、扩展、并引起整个部件的断裂。
　　这些成果最终变成了相当详细的指导标准，使设计师在设计时不仅能掌握结构部件会在什么条件下破坏；而且还知道正常使用情况下，允许结构含有多少、何种类型、大小的裂纹，以及它的寿命变化。断裂力学理论实际上从40年代后期起就一直在高速发展，而长期没有得以应用在飞机结构设计中的原因只有一个：分析、计算能力不足。这一瓶颈最终被电子计算机的高速发展所打破。

歼-10的进气道结构，现代设计手段的高效、简易、直观是过去只能进行纸上作业时所无法想象的（图片来自公开论文）

万磁王

　　计算机对于飞机结构的最大贡献在于有限元分析计算，这是一切先进设计的基础手段，也是现代定量设计与传统定性设计的根本区别所在。有限元法可以将一个结构部件划分成大量彼此连接的细小单元，每一个小单元只负责很简单的几个受力情况；通过计算这些小单元在各种条件下的变化趋势，就可以获得整个部件的近似性能数据。
　　通过这种原理，有限元分析可以解析外形和受力条件非常复杂的部件，这给飞机结构设计提供了极大的灵活性。但是要计算出高精度、高可信度的性能数据，对有限元计算过程中划分的单元数量要求极高，计算量极大，因此在高性能计算机出现前有限元分析一直难以实用。
　　断裂力学、有限元分析、传统设计经验的三者结合，使飞机结构设计进入了一个完全不同的时代；它所带来的不仅仅是Mil-A-8860A、83444和MIL-STD-1530等几个军用标准，还有大量《耐久性设计手册》这样的规范文件，更为后来的达索CATIA等航空航天专业设计软件提供了基础。从F-16开始的西方战斗机都遵循这一系列的标准规范，当然越往后的型号所遵循的标准版本也更新。
　　歼-10结构的成功，正是建立在这些西方技术和相关体制的引进基础上。1998年6月2日，成飞集团成为航空系统第一家获得档案工作目标管理国家一级标准的企业；作为标志性的例子，歼-10的图纸就是完全西方化的，不论是各种标注还是基本的画图风格——其严谨程度不亚于任何同时代西方三代机。
　　以标注为例，我国其他战斗机结构图纸上只有强度计算人的签名；而歼-10的结构图纸上则包括设计重量与疲劳强度的薄弱点数量。前者代表着每一个部件生产都实现了高度标准化，为精确重量控制和部件互换性能提供了基础。而后者则代表每一个部件都在大量的有限元分析基础上进行了彻底的疲劳试验，所有薄弱点的位置都是已知的。这些不仅是歼-10结构坚固耐用的根本所在，而且也是任何一种长寿命飞机设计制造中绝不可缺少的标准。
　　在引进西方设计标准规范、软硬件体系的基础上，歼-10结构上直接继承了西方70年代中期以后的设计经验；规避了国内没有独立战斗机结构设计经验风险的同时，直接达到了一个较高的水平。但是受时代和我国生产力水平的局限，歼-10上还是留下了不少遗憾——并且不止于结构方面；它们有些已经被克服，有些却仍然困扰着歼-10。
PS:.以色列LAVI总体布局存在大迎角大过载下失控的致命缺陷，真抄了lavi，那歼-10也就完了。强耦合的大面积鸭翼，居然配一个后掠翼，摆明了会出现配不平的毛病，真不知道美国人当初是怎么糊弄以色列人同意方案设计的。