探秘西安研发大飞机实验室

2015年11月8日《华商报》A8版

        11月2日，我国自主研发的C919大型客机首架机在上海下线。独立承担该机机翼设计和抗鸟撞试验的西北工业大学航空学院研发团队的师生们，在本校航空馆分享了成功的喜悦。作为支撑研发团队的实验室更是创立了多项世界纪录。11月3日，华商报记者走进这些实验室，探秘研发中那些鲜为人知的故事。
        NF-6增压连续式高速风洞为翼型设计和验证提供技术手段
　　NF-6增压连续式高速风洞，是西工大自主研制的我国第一座连续式高速翼型风洞，为我国翼型设计和验证提供技术手段。该风洞有两个可更换使用的试验段，第一段为亚洲最大的专门用于翼型实验的二元试验段；第二段可作为全模和半模实验的三元试验段。
      “在C919大飞机的研发中，我们承担翼型和机翼设计，采用先进的超临界翼型。”西工大航空学院教授、博导，该项目负责人高正红说，项目的绝大部分实验与验证在NF-6增压连续式高速风洞进行。
      风洞的作用是模拟空中飞行环境和飞行状况，对理论设计进行验证。“为了提高试验精度和效率，我们针对C919翼型特点，重新设计了模型支撑装置。”西工大航空学院教授、博导高超说。实验集中在第一试验段进行，模型往支撑系统安装是最关键环节，安装精度直接影响实验数据准确性，要在高0.8米、宽0.4米、长3米的空间里安装模型，200多个传感器要和模型连接，保证测压管路不漏气并畅通。
　　在空气不流通的试验段，要安装一个模型，实验员穿着紧口衣裤，需爬行13米才能到达模型支撑点，在这里翻身都很困难，仅靠有限的现场光和头灯、手电筒作为工作光源，不能在试验段和模型上留下包括汗迹在内的任何异物，稍不注意就会出错，此项工作夏天气温高难度最大。每次试验10个人各司其责，在不同的条件下，从初步设计到多轮优化实验，模型需要反复拆装几十次，经过上千次实验优化改型最后确认。“风洞的来流速度控制是最重要的指标，它直接影响实验数据的准确性，我国目前在用的高速风洞的马赫数控制精度只达到0.002，在C919翼型实验中，我们的马赫数控制精度可达到0.001，达到国际先进水平。”高超说。
　　在C919大飞机鸟撞试验中用现杀活鸡代替真鸟
　　冲击动力学试验室的主要功能:1、为材料动态力学性能测试（航空金属材料及复合材料的动态力学性能），为数值仿真提供材料性能输入，提高仿真计算的准确与可靠度；2、动态冲击试验，主要是航空结构的抗鸟撞试验。飞机在研制过程中，要取得适航认证必须做抗鸟撞试验，且适航局的人员要亲临现场目睹试验全过程。
　　“C919飞机舷窗、机头、机翼、尾翼、垂尾等离散源撞击实验，都是我们做的。”西工大航空学院教授、博导，试验室负责人李玉龙说，试验报告可以肯定或否定产品结构设计，并提供结构优化改进建议。
　　在西工大冲击动力学试验室，陈列着大小不同的机翼鸟撞后试验件，试验室最大的高速气炮管长10米，内径150毫米，还有试验台和靶架、数据采集器、超动态应变放大器、高速摄像机等设备。做鸟撞试验时，用气炮发射明胶弹体（模拟鸟体）冲击试验件。将试验件安装在靶架上，用气压控制速度，模拟飞行被鸟撞上时的状况。试验时需要测试弹体速度，记录撞击时的应变、位移等数据，并对试验过程进行高速摄像，“试验时弹体速度精确度要求在正负3%，而我们实际控制在1%左右。”试验室汤忠斌博士说。这样的试验室全国高校仅此一家。
　　在C919部件鸟撞试验中，采用现杀活鸡代替真鸟进行试验，考虑生物污染大，不宜在校园进行，部分试验会放在西工大铁锚实验室进行。试验也不是一帆风顺的，2014年7月,在西工大铁锚实验室做实验时，鸟弹都上膛了，正给空气炮充气时，遭遇雷击，造成数据采集器板卡烧毁，试验被迫延迟一个月。
　　用3D打印C919飞机3.07米部件
　　金属加工，传统的方法是铸造、锻造、机加、焊接，而金属3D打印是用微积分原理，将三维模型剖分成面，面分解成线，随后在数控系统控制下，用激光做热源，将金属粉末材料按照一定路径熔化“堆积”。
　　在C919设计验证阶段，西安铂力特激光成形技术有限公司利用金属3D打印技术解决了飞机中央翼缘条(3.07米的钛合金部件)的制造工作。加工该部件传统工艺一稿需要6个月，三至四稿就需要2-3年的验证周期。“我们做用了15天，2个多月加工就可完成，大大缩短了设计验证制作周期。”铂力特总工程师赵晓明说。最终得到“其性能略好于锻造件”的高度认可，力学性能通过了“五项性能测试”。除了C919，铂力特还利用金属3D打印技术为国产各类飞机制造近3000个零部件，其中绝大部分已装机使用。