王軍朋

每次有飛機(jī)在空中被冰雹撞擊的新聞報(bào)出，都會(huì)有人問(wèn)：現(xiàn)代科技這么發(fā)達(dá)了，為什么躲不開(kāi)冰雹？

其實(shí)，飛機(jī)在飛行過(guò)程中，冰雹是相對(duì)飛機(jī)作高速運(yùn)動(dòng)的，因而即使飛行員看到有冰雹，也不可能來(lái)得及做出反應(yīng)來(lái)躲開(kāi)冰雹的撞擊。

而機(jī)載氣象雷達(dá)也只能探測(cè)到與“水汽”相關(guān)的天氣現(xiàn)象，比如大雨、濕雪、厚厚的云層等等，并不能給飛行員一個(gè)前方是否有冰雹的準(zhǔn)確報(bào)告。飛行員只能根據(jù)回波和邊緣輪廓，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷。最新的雷達(dá)技術(shù)也只能根據(jù)氣象學(xué)模型“預(yù)測(cè)”、而非探測(cè)到冰雹的存在。所以，即使是具備冰雹預(yù)測(cè)功能的最新型雷達(dá)，依然無(wú)法保證不遺漏任何冰雹的存在。

肉眼看不到，雷達(dá)掃描不出來(lái)，所以飛機(jī)在天上要完全規(guī)避冰雹的襲擊，幾乎是不可能的。為了保證飛行安全，飛機(jī)在設(shè)計(jì)中都要加入抗撞設(shè)計(jì)。

冰雹撞擊的特點(diǎn)

抗撞設(shè)計(jì)怎么搞？防護(hù)緩沖加疏導(dǎo)！

盡管民用飛機(jī)在航線(xiàn)選擇上會(huì)盡量避免氣象條件較差的、易出現(xiàn)冰雹的區(qū)域，但航行中遇到冰雹襲擊有時(shí)卻是不可避免的。冰雹災(zāi)害因其突發(fā)性強(qiáng)、來(lái)勢(shì)猛、數(shù)量多、強(qiáng)度大的特征，有可能導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)被破壞，影響飛行安全性，威脅成員安全并可能造成經(jīng)濟(jì)損失。

一般而言，飛機(jī)風(fēng)擋、機(jī)頭鼻錐、機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、油箱、雷達(dá)整流罩、駕駛艙門(mén)窗等處迎風(fēng)面積大，最容易受損，且各部分破壞模式不盡相同。如風(fēng)擋、艙門(mén)窗，猛烈的冰雹撞擊能夠在較短時(shí)間內(nèi)使這些部位產(chǎn)生裂紋，在極端情況下甚至可以擊穿玻璃、危及生命安全。對(duì)于機(jī)頭鼻錐處，高強(qiáng)度的大量冰雹撞擊，可能直接導(dǎo)致機(jī)頭的錯(cuò)位甚至直接斷裂脫落。而且，在同一次冰雹事故中，多種損傷形式可能集中出現(xiàn)。

同飛鳥(niǎo)撞擊相比，冰雹撞擊有如下三個(gè)特點(diǎn)：

一是冰雹撞擊必是小質(zhì)量體群體撞擊;

二是冰雹剛度較鳥(niǎo)體大，在相同速度和質(zhì)量的情況下，撞擊載荷更高;

三是冰雹撞擊威脅空域更廣，在0～10千米高度范圍內(nèi)都可能發(fā)生。

冰雹撞擊研究的難點(diǎn)

近年來(lái)，無(wú)論是美國(guó)的FAR、歐洲的JAR，還是我國(guó)的CCAR，都對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了專(zhuān)門(mén)的要求，以保證結(jié)構(gòu)受到大量冰雹撞擊后仍能保持其安全飛行和著陸的功能。1984年FAA在咨詢(xún)通報(bào)《復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)（AC20-107A）》中，對(duì)包括冰雹在內(nèi)的離散源撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)的沖擊安全問(wèn)題有專(zhuān)門(mén)的規(guī)定，所有即將投入商業(yè)運(yùn)行的飛機(jī)的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格滿(mǎn)足相應(yīng)的離散源撞擊指標(biāo)。中國(guó)民用航空規(guī)章第25部《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》 [CCAR-25R4]也規(guī)定了結(jié)構(gòu)元件不能因包括冰雹在內(nèi)的離散源損傷而失效。

冰雹與靶體碰撞的微觀過(guò)程發(fā)生在區(qū)間很小的毫秒級(jí)時(shí)段內(nèi)，沖擊特性上更多體現(xiàn)為非線(xiàn)性的復(fù)雜沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。由于相對(duì)速度較高，所以靶體在碰撞中將承受強(qiáng)動(dòng)載荷的沖擊，需采用沖擊動(dòng)力學(xué)分析手段，才能夠更準(zhǔn)確客觀地對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的分析。

目前研究冰雹的手段主要有工程算法、數(shù)值分析和物理實(shí)驗(yàn)三種，數(shù)值分析與物理實(shí)驗(yàn)是研究的主流手段。

冰雹撞擊問(wèn)題研究的復(fù)雜性和技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在如下三個(gè)方面：

冰雹從與靶體的接觸到最后破碎變形，具有大變形、幾何非線(xiàn)性的特點(diǎn)，冰雹材料本身因其復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)很難被模擬，同時(shí)又因?yàn)閼?yīng)變率的波動(dòng)而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線(xiàn)性特征。

高速撞擊過(guò)程會(huì)給冰雹粒子產(chǎn)生較大的應(yīng)變率，而應(yīng)變-應(yīng)力曲線(xiàn)的不明確性使其本構(gòu)模型很難描述，材料參數(shù)不易獲取。

冰雹撞擊地面模擬實(shí)驗(yàn)較為困難。主要困難在于自然冰雹為多晶結(jié)構(gòu)，而實(shí)驗(yàn)室人工模擬冰雹多為單晶，兩者力學(xué)屬性差異性較大。此外，真實(shí)撞擊中為多冰雹大面積連續(xù)撞擊過(guò)程，很難在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行模擬。

抗冰雹撞擊設(shè)計(jì)的三種思路

當(dāng)前民機(jī)抗冰雹撞擊設(shè)計(jì)有三種主要思路：

對(duì)于內(nèi)部電子元件和管路結(jié)構(gòu)，提高蒙皮的抗沖擊能力或前端設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，以避免或減輕冰雹等離散源的撞擊威脅;

采用蜂窩等吸能結(jié)構(gòu)填充，減緩撞擊載荷;

采用能量疏導(dǎo)方式，將撞擊動(dòng)能分流導(dǎo)出，降低結(jié)構(gòu)失效破壞風(fēng)險(xiǎn)。

目前，我國(guó)在民機(jī)抗冰雹撞擊研究方面已經(jīng)取得了一定的成果。在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫妫袊?guó)航空工業(yè)集團(tuán)強(qiáng)度所自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)了冰雹撞擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，填補(bǔ)了航空工業(yè)在研究冰雹撞擊研究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴目瞻?掌握了實(shí)驗(yàn)室人工模擬冰雹制備技術(shù)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗冰撞測(cè)試與驗(yàn)證。目前該系統(tǒng)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)抗冰雹撞擊驗(yàn)證等方面取得廣泛應(yīng)用。

在分析水平方面，強(qiáng)度所建立了冰雹動(dòng)態(tài)本構(gòu)、冰球數(shù)值模型，進(jìn)行了大量冰雹撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值分析，有力地支撐了結(jié)構(gòu)抗冰雹撞擊設(shè)計(jì)評(píng)估。