基于安全性設計的結構充壓試驗技術

王 海

（中國飛機強度研究所?全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西?西安?710065）

飛機地面結構強度試驗中，常規的靜強度試驗載荷主要是氣動載荷、慣性載荷及起落架地面載荷，試驗時簡化成離散的節點力施加。現有的常規試驗加載方法[1]（如膠布帶、拉壓墊、接頭等），造成安全事故時對飛機結構和試驗人員的影響較小，試驗安全風險可控。而結構充壓試驗是一種試驗設計和實施難度大、安全風險高的試驗[2-3]。通常對于戰斗機來說，需要進行結構充壓試驗的部位主要包含座艙、機翼或機身油箱、進氣道等；運輸類飛機還包括機身增壓艙、增壓駕駛艙、水箱、氣密艙等部位。在新型飛機研制過程中，需要進行大量的結構充壓試驗，充分驗證結構的氣密性和抗壓強度。國內針對不同類型飛機、不同密閉結構進行了大量的試驗驗證，從試驗方案設計、控制系統安全保護參數設置、人員設備安全、現場保護措施等多方面，已經形成了一套完整的試驗設計方法和實施流程[4-6]。本文在總結以往充壓試驗經驗的基礎上，從試驗安全性設計角度開展研究，提出了基于安全性設計的結構充壓試驗方法。

1??結構充壓試驗

在飛機地面強度試驗中，結構充壓試驗載荷是通過向結構內部充入高壓空氣實現載荷施加，載荷類型和加載方法具有特殊性。無論針對何種密閉結構進行充壓，試驗方法和流程基本一致，試驗設計主要從試驗件、充壓設備、控制系統、數據采集系統等4個部分展開。根據整個設計流程，分析試驗風險點，對試驗件、測控設備、安全保護措施進行規劃和設計，形成完備的結構充壓試驗大綱。圖1為試驗件及試驗所涉及的主要設備，圖2為結構充壓試驗原理圖。

2??結構充壓試驗安全風險分析

圖1 試驗件及試驗設備

圖2 結構充壓試驗原理圖

為有效降低結構充壓試驗風險，需要在試驗設計前期，溝通好試驗件狀態和試驗任務書要求，確認好試驗件充氣口、反饋口、保護口、氣壓載荷等具體要求。試驗設計中針對安全風險分析結果，通過優化設計，規避或降低安全風險。在試驗實施環節，增加安全保護措施，加強試驗現場安全管理。針對試驗各個環節進行有效的風險分析和識別，充分預估試驗關鍵過程和風險點，做好安全防護措施，并制定應急預案，有效防止試驗件發生破壞，避免試驗出現控制環路失效、保護措施失效、數據監控異常等，加強試驗各環節溝通和協調。

結構充壓試驗安全主要包括試驗件安全、人員安全、數據安全等3個方面，試驗主要存在的質量安全風險如下。

（1）試驗件強度設計不足或缺陷導致充壓過程中爆炸。

（2）傳感器反饋錯誤或失靈導致充壓控制系統控制回路故障。

（3）充壓過程不穩定，過充導致加載誤差過大。

（4）結構嚴重漏氣導致氣體凈流入為負，無法繼續加載。

（5）充壓過程中控制系統意外卸壓，應急卸載保護措施不充分。

3??結構充壓試驗安全性設計

安全性是設計出來的，試驗設計不完善或存在缺陷，將可能引入較嚴重的潛在危險，從而導致發生安全事故[7]。要確保結構充壓試驗全過程的本質安全，要加強試驗設計源頭。安全性設計從“人、機、料、法、環”全方位開展設計，并制定有效的保護措施和應急預案。因此，基于安全性設計的結構充壓試驗，可以充分保證試驗設計和實施流程中每個環節的安全性和可靠性。針對結構充壓試驗，本文通過總結以往試驗經驗和分析試驗流程，從以下7個方面開展詳細的安全性設計，達到規避或降低試驗安全風險的目的。基于安全性設計的結構充壓試驗原理圖如圖3所示。

圖3 基于安全性設計的結構充壓試驗原理圖

（1）結構容積填充。由于空氣壓縮比大，要達到試驗充壓載荷，充入結構的氣體體積是結構容積的數倍。為了減少充氣量，減小意外爆炸時的能量，填充物一般采用塑料泡沫，填充時將泡沫用編織袋裝好扎緊或用帆布包裹嚴實。填充完畢后，將試驗件充氣口、反饋孔和保護孔用鐵絲濾網進行保護，并清理附近的雜物，防止氣孔堵塞。

（2）整流及調節流量。由于大部分飛機充壓結構容積相比氣源流量來說，都屬于小容積空間，為了增加流入結構氣流的穩定性，在充氣臺后端串聯一至兩個儲氣罐，起到穩流和調節流量的目的。

（3）三閥聯動應急卸載保護裝置[8]。杜峰等人研發了三閥聯動應急卸載保護裝置，用于試驗應急卸載或試驗件意外破壞時，快速切斷高壓氣源繼續流向試驗件的同時，快速排氣，防止試驗件意外破壞或二級破壞。

（4）多點控制及多點監視。為了保證整個控制回路的安全，在試驗件不同部位設計多個反饋點聯合控制充壓載荷，可采用多點均值或最大值控制兩種控制信號模式。結構體積較大時，設置多個監視點監視結構不同部位的氣壓。

（5）密封及二次密封。對于進氣道等非密閉結構，需要設計并安裝專用密封擋板對結構進行密封，再采用密封膠、氣球布等進行二次密封。對于座艙、油箱等密閉結構，當進行高載充壓試驗時，容易出現嚴重漏氣導致試驗載荷無法繼續施加的情況，因此也需要在原有結構密封條件的基礎上進行二次密封。

（6）高頻動態數據采集。針對高載充壓試驗，除采用常規低頻數據采集系統和高清攝像設備外，引入高頻數據采集技術和高速攝影技術對常規數據采集方法進行補充，保證獲取試驗件爆破瞬間的應變數據及影像。

（7）現場保護措施。主要是針對人員、設備和試驗現場進行的安全防護，在試驗件周圍采用網狀材料進行圍堵，并在更大范圍內采用帆布進行現場封鎖，設置警戒線和有機玻璃保護屏障。

4??結論

本文總結以往的結構充壓試驗經驗，采用安全性設計方法，對試驗流程進行了改進和優化，從試驗設計、控制、數據監測等多個方面完善了試驗各項安全保護措施，形成了一套全面完整的結構充壓試驗方法。后續針對此類試驗，采用本文方法可充分保證結構充壓試驗的安全可靠。