实习记者 于紫月
跌落的手机如何受力？兵乓球受到球拍撞击时怎样变形？“这些问题实际上隶属于固体力学中的一个重要分支学科——冲击动力学的范畴。”中国飞机强度研究所(以下简称强度所)所长、结构冲击动力学航空科技重点实验室主任王彬文表示。
一只小鸟就足以让一架高速飞行的飞机机毁人亡，那么如何科学分析飞鸟撞击时飞机结构件的受力、变形甚至破坏情况？“这便是航空领域中的冲击动力学技术需要回答的问题。”一位业内人士告诉科技日报记者。
近日，一项由强度所申报、以航空结构冲击动力学技术为重要支撑要素的《军工科研院所基于“三融三通”的技术产业生态链构建》摘得了2018年度国防科技工业企业管理创新成果一等奖的桂冠。
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该创新成果旨在以融合大航空、大防务、大工业的市场领域，贯通技术、市场、人才核心要素的“三融三通”发展思路，破解军工基础科研院所产业发展机制不活、路径不畅、活力不足等难题，助推军工基础技术军民融合技术应用。
常见的冲击现象背后有大学问
为何提出“三融三通”？面对记者的提问，王彬文列举了前文的例子。“冲击动力学是研究在短暂而强烈的动载作用下材料行为和结构响应的一门力学学科，其应用范围十分广泛。冲击动力学相关问题在日常生活普遍存在，它同时又与航天、兵器等国防工程息息相关，如载人航天器的回收着陆、子弹穿透装甲等。”
具体到航空领域，不论民机还是军机，都会在服役过程中面临着复杂多变的环境。王彬文指出，地面滑行阶段可能遭受跑道碎石碰撞、其他滑行飞机碰撞等；起飞和低空爬升过程中，随时面临着飞鸟、冰雹、轻小型无人机等外来物的碰撞威胁；巡航或任务执行阶段的作战飞机，可能遭受射弹、战斗部破片杀伤等冲击载荷作用，而运输类飞机也会面临着高空劫机下的客舱防爆抗冲击问题，还可能遭受发动机叶片甩出造成的机匣包容性问题等；在下降和着陆阶段，除了可能遭受鸟撞等外来物的碰撞外，还面临着正常着陆或着舰过程的冲击以及非正常着陆下的应急坠撞等。
“飞机结构的抗冲击问题与服役安全密切相关，起落架是否具有良好的缓冲性能和冲击耐久性？在应急坠撞时机身是否能够最大程度吸收能量以保护乘员安全？关键部位结构是否以最小的代价取得最佳的抗鸟撞品质？诸如此类结构的冲击动力学问题在航空装备研制中都是被关注的焦点。”王彬文指出。
相关研究表明，冲击载荷具有作用历程短、破坏性大、不可逆等特点，相较传统的静力学问题，需考虑材料的应变率效应、结构自身的惯性效应和应力波传递等特有的因素。在王彬文看来，航空结构冲击动力学问题还涉及每秒数米到每秒数千米的冲击速度，载荷的类型有外物碰撞、结构碰撞等多种载荷作用形式，通过实验或分析等手段开展研究会面临诸多困难，“其关键技术是世界性难题”。
航空技术在军工行业延伸
如何破题？这是以航空强度技术自立的强度所一直思考的问题。
要知道，本世纪初我国航空结构冲击动力学专业还基本处于空白阶段。但近十年来，强度所在军用飞机型号研制中积累了大量的经验，形成了起落架缓冲性能设计与验证、军用飞机作战易损性评定等军工源的技术基础，掌握了一系列航空结构冲击动力学实验与分析关键技术，研发了多套国内唯一的专用实验设施，并于2015年获批成立了国内唯一的结构冲击动力学航空科技重点实验室。在这里，有聚焦基础科学的材料与结构冲击性能与损伤机理研究，也有“接地气”的起降装置冲击分析与实验、离散源冲击分析与实验平台。
冲击动力学在航天、兵器等其他军工行业应用广泛。那么能否打破航空与其他军工行业的壁垒，让这项基于基础科学的技术向着更广阔的空间延伸？“强度所一直在汲汲探索并努力着。”王彬文告诉记者，基于材料的动态吸能特性研究成果，强度所对中国航天科技集团有限公司某型航天器新型着陆回收系统所采用的着陆吸能材料进行了动态力学实验，获得了精确的应力—应变关系等力学性能，为航天器安全着陆提供了技术支撑。此外，结构抗离散源冲击技术研究成果还支撑了兵器工业某新型毁伤战斗部研制；空气炮自主研发成果为中物院激光聚变研究中心能源靶发射系统研制助力，使其精度指标达到国际先进水平。
“近五年来，相关技术已累计推广应用于除航空工业外的12家其他军工单位，使其在国防军工防务体系进行了互通融合。”王彬文说。
用“老本行”服务民用项目
与军工体系互通融合同时开展的还有“军民融合”。C919，我国第一款按照最新国际适航标准研制、具有自主知识产权的干线民用飞机，圆了中华民族的“大飞机梦”。此前，强度所按照民航局要求对这个“大块头”进行了鸟撞实验等强度测试。据相关媒体报道，一只1公斤的飞鸟以500公里/小时的速度撞击航空器结构时，冲击载荷峰值往往会达到20吨以上，传统做法是“真刀真枪”地将“鸟弹”从炮管里弹射出去，模拟飞鸟撞击飞机过程，从而评估结构的抗鸟撞安全性。但是，这种破坏性的试验是“一次性的”，一旦试验件受撞击破坏后，便无法再次利用。为此，强度所基于航空结构冲击动力学的研究基础，花费了8年的时间，最终采用物理试验和虚拟仿真进行“虚实”结合的方式缩短了试验周期，降低了成本。
王彬文谈到，结构冲击动力学技术不仅在C919、ARJ21、AG600、MA700等十余型民机的研制中得到了应用，还支撑了航空座椅、机载系统等民机配套产品的抗冲击评定。在航空领域的“老本行”打下了坚实基础之后，强度所把该技术也推广到了轨道交通、汽车等领域。高铁的车头有着吸能技术的支撑；吉利汽车、上海通用汽车等轻量化车体主干材料研发的背后是材料动态力学性能测试与表征技术的研究成果。如果有机会在强度所里漫步，那些脚步匆匆、与你擦身而过的人很可能是来自同济大学、北京理工大学、西安交通大学等高校的科研人员。实验仪器设施的开放共享，为多个高校的研究工作保驾护航。
十年的上下求索，换来的是航空结构冲击动力学技术在60余家民营企事业单位或高等院校单位的互通融合。在这个过程中，强度所并非一帆风顺。它曾面临着诸多困难，如没有批量商业化的产品支撑、没有成熟可借鉴的参考经验等，但在王彬文这位掌舵人看来，强度所作为中国航空工业集团有限公司所属的基础性科研院所，应发挥出基础技术研究的优势，也应主动对接市场需求。
“没有攻坚克难、转型升级，哪有航空结构冲击动力学技术的全要素融合、多领域跨越的发展格局？”王彬文说。