主题：【文摘】ARJ21型支线客机 (1) -- 大漠孤烟远

从上个世纪70年代初开始，复合材料就在与金属材料的博弈中登上历史舞台，由飞机的非承力结构而逐渐向主承力结构蔓延。与此同时，金属材料在积极响应复合 材料挑战的过程中，也在不断地优化自身的性能与加工技术，以适应激烈的市场竞争。截至目前，复合材料与金属材料的这场博弈，依然在如火如荼地进行中，彼此 都在寻找着对手的弱点，互相迭代地向前发展，并为航空制造业的发展带来显著的变化。

“ARJ21-700飞机的方向舵是左右两块板子扣在一起，中间除了有梁和肋进行连接之外，其余全部是空的，你可以想象一下，飞机在空中飞行的时候，就要 靠这个中空的方向舵来转弯，所以，对结构强度的要求是非常高的。”在ARJ21-700飞机的方向舵的制造现场，沈飞公司复合材料制造中心工程师李景钰介 绍说：“为了保证结构的受力和外形不发生变化，我们就在两层板中间放进一个蜂窝夹心，来保证稳定良好的结构性能，但是，制造难度却是非常大的，例如，如何 保证蜂窝不窜动，如何保证蜂窝不发生塌陷等一系列的问题，在整个这个研制过程中，问题层出不穷。光是解决蜂窝窜动的问题，就废了4、5个部件，作为技术人 员来说，我们的主要工作，很重要的一部分就是在想办法一步步解决这些问题，最后制造出一个标准完美的产品出来。”

中国一航成飞民用飞机有限责任公司总经理陈良驹说：“成飞公司采用数字化的工装设计制造技术、数字化的协调技术以及数字化的装配技术，提高机头制造精度， 由于成飞公司在大型整体结构件高效数控加工、大型复杂薄壁零件数控精密加工、喷丸成型、液压成型工艺等技术方面取得重大突破，使ARJ21-700飞机机 头制造质量也达到了较高水平。”

原成都飞机制造有限公司总经理罗荣怀说：“机头是三维曲面过渡结构非常复杂，制造难度也非常大，旅客登上飞机，第一眼看到的就是飞机的机头，如果产品的质 量非常粗糙，那么会让旅客产生非常不安全的感受，所以，对机头的质量要求是非常高的。而且，飞行员的视野感觉，飞机的操作系统的安装，所有这些问题的协调 也都集中在机头上，即使在这样的情况下，我们还是提前5天交付了ARJ21-700飞机的机头。”

而在上海飞机制造厂总工程师姜丽萍眼里，上海飞机制造厂最大的能力提升正是在于能够很好地对供应商进行控制与管理：“ARJ21-700飞机的每个部件如 何按照同一标准生产，能够实现准确无误地装配起来，这都是我们总装厂控制、协调的。在ARJ21-700飞机装配的整个现场，从零件制造到部件装配，从工 艺到质保，从制造到验收，所有的这些都由M立方系统进行管理控制。”

…………

事实的确如此，在上海和世界各地，为制造ARJ21-700飞机，人们竭诚合作，不懈努力，共同促成了ARJ21-700飞机显著的变化。所有的这些人， 还有更多的系统供应商，更多的咨询人员，更多的销售人员，更多的负责产品支持的培训人员，还有成千上万的人都在帮助ARJ21-700飞机，让它飞起来。

静力试验

我站在换取登机牌的柜台前，对服务小姐说：“请给我一个靠窗的位置，而且，这个位置最好能让我看到飞机机翼在飞行中的变化。”服务小姐用奇怪的眼神看看 我，并为我挑选了一个位置，“或许，我还会看到发动机反推的工作过程”，我对自己的座位非常满意。当飞机穿越气流的时候，巨大的机翼在外力的作用下颤抖起 来，就像一把被反复弯折的刀片，那么，飞机机翼所能承受外力的极限是多大哪？机翼会被折断吗？设计师们把飞机设计的足够结实吗，还是过于结实而牺牲了一些 商载运营的能力呢？事实上，这是完全多余的担心，所有的这些问题，都已经在飞机首飞前的飞机强度试验中得到了验证，只有通过了这个试验的考核，飞机才能飞 上蓝天，而且，这些试验都必须通过适航当局的适航审定。当我坐在飞机上煞有介事地“观察”飞机机翼在空气中变化的时候，西安阎良，在中国飞机强度研究所 456厂房里，一群工程技术人员正在为第二天的静力试验做着准备。而在此前，在这里所进行的一系列静力试验，都是为了考核ARJ21-700飞机结构的响 应，是否符合适航规定的安全标准和设计要求。

飞机在空中飞行时，作用在飞机结构内、外的力，如：空气动力、发动机推力、外部撞击力（飞鸟、冰雹、砂石、碎片等），内部惯性力、阻尼力、弹性力、压力传 递等都被称为“飞机载荷”。而温度、湿度、气压、雷电、冰雹、雨淋、雪封、霜冻、风沙、盐雾、紫外线辐射、工业污染等，这些飞机所在的机场以及空中飞行区 域的气候环境也会对飞机的结构强度和结构性能产生影响。当载荷与环境作用在飞机上时，就会引起飞机结构的变形和产生结构的损伤，如：裂纹、脱胶、磨蚀、缺 陷扩展、腐蚀老化、运动卡滞、破损、振动、甚至是破坏、失去承载能力，一旦发生这些情况，飞机将面临巨大风险。

“通过模拟飞机真实使用的载荷、环境条件，来考核飞机结构的响应是否符合适航规定的安全标准和设计要求，这就是飞机强度试验的任务，而这些试验将包括：强 度试飞、静力试验、疲劳/损伤容限试验、离散源撞击试验（鸟撞）、应急着陆坠撞试验及水上迫降试验等等，而你即将看到的是：ARJ21-700飞机的尾翼 静力试验。”中国飞机强度研究所副所长强宝平说：“只有经过了这里的考验，才能证明设计出来的飞机是真正结实的。在飞机飞行情况下，从结构强度上是安全 的，保障飞机出现某些问题后，还是可以平稳落地。结构强度至少不会出现，舱门掉了，机体出现窟窿的问题，即使飞机擦地下来迫降的时候，也不会把更大的载荷 转移到乘客的座椅上来，对乘客造成伤害。即使是水上迫降，飞机依然能够保证平稳降落，并且在飞机沉下去之前保证所有的乘客全部安全撤离。”

第一次认识强宝平的人都会对他说，从名字上看，你都注定了要从事飞机强度的研究，他也经常会风趣地回答：“知道吗，我的很多同学是从事飞机设计的，而我的 工作则是千方百计地，把他们辛辛苦苦设计出来的飞机‘弄坏’。要知道，如果他们设计的飞机在达到极限载荷的时候还没有坏，而在限制载荷的时候反而坏了，那 么，这就证明他们设计的不是一架好飞机。”在搞强度的人眼里，一架好的飞机必须足够结实而又不能过于结实，过于结识则意味着设计上过于保守，证明对一些性 能还没有掌握到游刃有余的状态。如何恰到好处地把握这个度，这对于飞机设计师来说的确是一个不小的挑战。

创建于1965年4月12日的中国飞机强度研究所(623)，具有代表国家对新研制和改型飞机结构强度进行鉴定和验证试验的职能。中国新研制飞机的第一张首飞通行证就是从这里发出的。

2008年1月24日上午，位于西安阎良中国飞机强度研究所的456厂房内，ARJ21-700飞机的尾翼静力试验正在准备当中。FAI强度设计研究所副 所长李凯介绍说：“今天的试验是要考核飞机平尾和方向舵的结构强度，但是，即使试验加到67%的载荷，我们在现场也不会看到明显的视觉变化，要在FAI的 监控室里，通过计算机上的实时数据分析才能看见飞机变化的情况。”

此时，厂房里的温度仅有-3℃，非常寒冷。参加试验的人员告诉我，456厂房的特点是“冬冷夏热”，夏天最热的时候，温度计都要失效，根本都测不出温度， 而到了冬天，工作一会就能把大家冻得手脚麻木。静力试验的过程非常快，但是准备期却很长，“今天的试验只需要10分钟就可以结束，但是我们的试验人员已经 准备了2个月。最烦琐的活就是找着力点，也就是在飞机表皮贴胶布带的点，这是做疲劳试验的关键环节之一。”中国飞机强度研究所全尺寸结构静力/疲劳试验室 副主任唐吉运说：“试验前，我们要先将气动力分布载荷及惯性力分布载荷通过5000多块胶布带准确地粘贴在ARJ21-700飞机的结构表面上，这些点都 是根据真实载荷情况，通过设计、计算而在飞机上进行准确定位的，每个胶布里又都穿有铝棒，通过几级杠杆系统将胶布带载荷集中到上百个加载通道来实施机械加 载，各加载通道采用带测力计的电液伺服作动筒连接到承力架上或承力地坪上，并由计算机按给定的载荷程序，自动协调、闭环控制、分级施加机械载荷到限制载荷 及极限载荷。”

此时的ARJ21-700飞机正被“五花大绑”地“捆”在龙门架上，机身上缠绕的应变测量线，就像“胡须”一样长长地垂下来，噢！还有16000多片用于测量应力的应变片，也贴满了整个机身，它们与数据采集装置一起给出应变、应力数据及随载荷变化曲线，供试验分析使用。

现在载荷加到了40%，尾翼看上去似乎没有任何明显的变化，事实上它在变化，在FAI实时监控中心，可以清晰的看见这种变化。FAI强度设计研究所的实时 监控中心位于试验现场一角的一个小房间里，当中国飞机强度研究所将测量数据发送过来时，FAI的设计人员便可以在监控中心，实时将试验测量结果与计算结果 进行对比：应变监测可以将试验应变曲线与计算应变曲线绘制在一张图上便于比较应变随着载荷加载的变化趋势；位移检测则可以将全机从前到后的变形情况通过位 移曲线直接反映在屏幕上，与全机有限元计算的位移结果进行对比，确认全机有限元计算的准确性；部位监测则可以直接将一个计算部位的应变转换成应力进行输 出，而且还对安全裕度进行计算，同时推测下一级载荷以及100%极限载荷时的安全裕度，并且对安全裕度及应力曲线进行修正，进而拟合出试验监测部位下一级 载荷及100%极限载荷时的合理安全裕度。通过这些实时的监测数据，不但可以现场确认机体结构在试验过程中的应变位移与计算结果是否一致，还可以及时通过 对比发现试验是否出现异常，避免在试验中出现危险情况。

“今天的试验效果很成功，试验数据和我们的计算数据很吻合。”在计算机屏幕上可以看见在黑色、红色、蓝色和黄色四条曲线，FAI强度设计研究所所长朱广荣 解释说：“黑线是数据许用值；红线是理论计算值；黄线是理论推算值；蓝线是试验获得的实际数据。试验一边进行，我们一边在实时推测，载荷加到40％的时 候，我们就推测加到67％时的情况，甚至推测加到100％时飞机会不会有损坏，提前预测，如果推算出试验会有损坏，那我们就要马上停下来。今天的试验效果 非常好，黄线、红线和蓝线都位于黑线以下，证明尾翼的设计强度达到了安全要求，而且蓝线与红线非常接近，这证明我们的理论计算越来越接近试验获得的真实数 据。”

所有的这些试验都必须得到中国民航总局飞机适航部门（ADD）的批准才能进行，“目前，ADD正在派适航的审查代表进行试验大纲的审查，批准了试验大纲， 我们才能开始试验前的相关准备工作，试验前，ADD还要委托工程制造组的人员到现场对试验件、试验设备进行制造符合性检查，认为满足要求了，这时候才可以 开始做试验。”FAI强度所副所长李凯解释说。事实上，李凯还有个比较特殊的身份——预备DER，就是工程代表，他们将代表ADD对静力试验进行现场目 击，并将现场出现的问题和试验结果实事求是地向审查代表汇报。“这种‘双重身份’在国外适航当局中是惯用的一种方式。”李凯解释说：“采用这种方式则必须 建立在对申请方充分信任的基础上，作为现场目击代表，我们必须如实汇报现场出现的任何情况，不会做任何隐瞒，这是一个诚信的问题。”在FAI强度专业，像 李凯一样的DER大概有20人，目前，FAI不同专业的DER加在一起能达到100多人。

李凯表示说：“这是国内第一次按照适航25部的要求进行静力试验，并且，FAA也会对重要的试验进行现场目击。例如，2008年3月5日，全机2.5G稳 定俯仰67%载荷全机静力试验，此种载荷情况是飞机在空中飞行时出现的最大加速度，这是ARJ21-700飞机首飞前全机最严重试验工况，所以，FAA也 派出了代表全程观察了整个试验过程。”在那次试验中，中国飞机强度研究所还特意要求FAI在ARJ21-700飞机的主起落架舱、前机身根部左侧、左侧机 翼上壁板、平尾下壁板、垂尾和后机身对接处、中后机身左侧应急门等关键部位设置了八个摄像头，以便通过现场画面来观察机体结构在高载情况下，何时进入张力 场，以及进入张力场后，壁板随着载荷的变化情况。

加载至50%，此时，机翼翼尖的变形量已经达到了1米！

从数据采集间传输过来的测量数据显示，在45%-50%的加载过程中，后机身与中后机身对接处壁板出现了预期的剪切失稳波纹，这部分结构进入了张力场状 态。在继续加载的过程中，这部分结构通过张力场状态依然承受了外界的载荷。进入张力场状态，对于从事强度计算的人来说是一种如雷贯耳的现象，但是，对于第 一次接触商用飞机试验的年轻人来说，这还是第一次真正在试验现场看到，他们脸上惊奇而兴奋的表情，与经验丰富的强度人自信的表情则形成了鲜明的对比。现场 的试验人员解释说：“飞机蒙皮承受拉压和剪切载荷时，当剪切应力达到临界应力以后，蒙皮就会起皱,此时蒙皮发生了剪切失稳,但蒙皮仍然能继续承载，此时蒙 皮受斜向拉伸，我们管这种受力形式的变化称为进入张力场状态。”

加载至67%，此时，机翼翼尖的变形量已经达到了1.2米，这就是预期在飞机服役期间可能会遭受的最大载荷,在100%的极限载荷情况下, 机翼翼尖的变形量会到2米。

数据采集间传来的数据也变换成曲线实时的显示在监测画面上：

前机身测量结果没有异常；

中机身测量结果没有异常；

中央翼测量结果正常；

机翼测量结果没有异常；

垂尾测量结果没有异常……

各段主管快速地报告各自监测部位的情况，加载至67%，保持了30秒之后，监测画面上也出现了理想的卸载曲线，至此，宣布了此次试验的成功，这证明ARJ21飞机机体结构强度已经基本能够满足首飞要求。

然而，在ARJ21-700飞机27个试验项目、143个试验情况当中，并不是所有的试验都能够如此的一帆风顺，在收获了成功的喜悦之后，也必将接受失败的锤炼，而对于这支年轻的飞机强度试验团队来说，或许，在失败中更能够实现自身能力的提高。

作试验的目的就是验证设计是否合理，制造是否达到了设计的要求，67％的限制载荷只能保证首飞，正常的静力试验要作到100％的极限载荷，在此之后，还将 进行全机疲劳/损伤容限试验，为飞机在运行中的使用和维护提供重要依据。中国飞机强度研究所副所长强宝平介绍说：“和人一样，金属工作久了也会产生疲劳， 例如，一根铁丝只要反复折几次就会断的，对于飞机疲劳失效是其主要的破坏形式。据国外统计，因超载荷工作引起的疲劳断裂事故占机械结构失效的95％。疲劳 试验做法和静力试验有类似，静力试验是一个情况接着一个情况的作，疲劳是长久的过程，通过加力，载荷，使飞机不停地在工作。通过全机疲劳/损伤容限试验的 结果，中国飞机强度研究所将给出机体平均使用寿命（飞行小时数和飞行起落数等）和飞机维护首次检查门槛值、重复检查间隔，以及维修大纲。另外根据试验结果 给出部分结构更改、替换和修整办法。”

全机疲劳/损伤容限试验的周期很长，要经过7—9年的时间，ARJ21-700飞机的疲劳试验要领先于真实的ARJ21-700飞机的飞行，“我们模拟 ARJ21-700飞机在空中的飞行，如果我们做疲劳试验的样机出现问题，那么很可能空中的ARJ21-700飞机也要出现同样的问题，我们就可以通过试 验提前检查出现问题的部位，指导飞机的维修。ARJ21-700飞机在飞行的过程中出现的问题也要回馈到我们试验的飞机上，例如，飞行的过程中出现了小裂 纹，我就在疲劳机同样的部位进行检查，看是不是也出现这个问题，是个案还是群体性的问题；是设计上的缺陷还是制造上的工艺问题。我们会监控这个部位，累计 多少小时数的时候，就要对飞行在机队的飞机进行检查，在维修大纲中也要提出来。”强宝平说我们作试验的目的就是要把所有的问题都发现了，不可能每架飞机都 出现不同的问题，一定是有共性的，只有个别的会出现非共性问题。

综合试验

两个月来，FAI航电试验室主任刘永超和他的同事们，一直在寻找飞控系统与航电系统之间信号传输过程中延迟的1秒时间，要知道，在飞行过程中，飞机响应延迟1秒时间足以导致机毁人亡的事故发生，很多的飞机事故就发生在100、200毫秒的瞬间……

这生死攸关的1秒时间究竟丢失在哪里了呢？

任何人都不会想到，竟然是罗克韦尔柯林斯公司的先进仪器“吃”掉了这生死攸关的1秒时间！

ARJ21-700飞机为了保证飞机的安全和舒适性，需要在飞控系统中加入偏航阻尼的功能。中方的任务是首先在飞机上实现这个功能，然后，再由供应商对这个功能进行优化。

“当我们在铁鸟试验台进行飞行控制系统与航电系统的交联试验时，柯林斯公司的设备测试显示，飞机响应延迟了1.5秒的时间。这是什么概念呢？简单的说，就 是超出了飞行员对问题做出反应的时间，当飞行员感觉飞机出现问题的时候，他已经没有足够的时间来挽救飞机了，结果只能是摔飞机。正常情况下，信息延迟时间 应该在200毫秒以内，我们超出了这个范围7-8倍的时间，”刘永超解释说：“飞控数据更新周期是50毫秒，如果连续3个周期采集到的数据没有发生变化， 就代表偏航阻尼功能没有接通，所以，数据必须在150毫秒之内进行更新，那么，1.5秒的延迟时间已经超出这个范围，由此，柯林斯公司认为我们的偏航阻尼 功能还是没有调通。这个问题困扰了我们很长一段时间，当时，我们的确不知道问题出在哪。从理论上分析，只能有两个方面的原因，一方面是网络延迟，另一方面 就是飞机响应延迟，我们也是从这两方面来着手解决的。”

航电模拟器是将相应的多个任务分散到若干台计算机上执行，任务之间数据是通过互联网进行传输的，这与真实飞机采用的数据总线的传输速度存在巨大的差异，这是否是导致延迟的原因呢？

对网络的测试结果最终证实了大家的猜测，网络传输造成了0.5秒的延迟时间，“我们通过把航电试验室的这两台设备进行合并，减少传输环节，找回了丢失在网 络里的0.5秒时间。”刘永超继续解释说：“但是，解决了网络延迟的问题，并没有让我们感到轻松，我们每个人都在想，还有1秒时间到底在哪里？难道真的是 飞机响应能力有问题吗？”

这会给飞行员造成很大的心理负担，必须解决这个问题。