1.5.3 國內發展概況

新中國成立以來，我國的航空工業走過了一條從仿制到自行設計的道路。20世紀80年代以前國內服役的飛機，軍用飛機大部分都是仿制的，小部分是外購的，還有少部分是國外飛機的改型設計；民用飛機則全是外購的。無論是哪種類型的飛機，當時大部分都是20世紀50年代至60年代按靜強度準則設計的，沒有使用壽命指標；即使少部分按安全壽命準則設計的國外進口飛機，也只有一個總的使用壽命指標，沒有具體的相關資料，而這些當時服役的飛機，有的已出現各種問題，如局部裂紋、部分構件功能失效等；有的已飛行幾千飛行小時，究竟這些飛機能夠飛行多長時間，一片茫然，即使少數有使用壽命指標的服役飛機，由于缺少相關資料，它們何時檢修，如何檢修，是否可延壽等，也是心中無數。諸如此類問題，歸結到一點，就是亟待解決這些服役飛機的定壽延壽問題。

另一方面，20世紀50年代末期我國就著手開始自行設計飛機，剛開始的自行設計飛機仍然是按靜強度設計準則來設計的（如強5、殲8等）。到了70年代就開始考慮疲勞強度，增加了安全壽命設計準則（如殲轟7等）；即使一開始按靜強度設計的飛機，到后來也要進行疲勞分析。因此，我國自行設計的飛機都存在一個飛機定壽問題。

無論是我國當時服役的飛機，還是自行設計的飛機，都要確定飛機結構的使用壽命。要定壽，首先就要解決載荷譜問題。載荷譜如何實測？要編制什么樣的載荷譜？如何編制實測載荷譜和設計使用載荷譜？如何用載荷譜進行疲勞/耐久性/損傷容限試驗和分析？這些問題都亟待解決。

1.飛機載荷譜實測

國內飛機載荷譜實測始于20世紀60年代，空軍航空所（原空一所）為解決米格15飛機延壽問題，從1965年開始進行了載荷譜實測工作，當時選用CΠ-11單向過載自記器用部隊一架現役飛機完成了約32個起落的單參數載荷譜實測，由此編制了該飛機試驗譜進行了相應的疲勞試驗，解決了該機延壽問題。幾乎同時，飛行試驗研究院在國內率先開展了飛機載荷譜飛行試驗多參數實測技術研究，當時用的飛行試驗研究院一架殲6飛機進行參數法載荷譜實測，實測了十幾個飛行參數和平尾、垂尾的載荷，并編制了相應的載荷譜，這是當時國內載荷譜多參數飛行實測和編制的最早嘗試和探索。緊接著在20世紀70年代初，根據當時空軍在轟5使用中發現發動機架和發動機撐桿出現的疲勞裂紋，飛行試驗研究院開展了轟5發動機架和發動機撐桿載荷譜實測工作，用的一架部隊現役轟5飛機進行應變法載荷譜實測，這是當時國內首次開展的應變法載荷譜實測工作。當時在被試的發動機架和發動機撐桿相應位置上粘貼了若干應變計，經過實驗室載荷標定試驗，用回歸分析方法獲得了載荷方程。通過飛行實測，編制了轟5發動機架和發動機撐桿載荷譜并使之用于相應的疲勞試驗，根據試驗結果采取措施，解決了轟5飛機外場使用的疲勞問題。

從20世紀70年代開始，在航空工業部門和使用部門的共同領導和組織下，我國各種服役飛機陸續開展了載荷譜實測工作。到目前為止的40年期間，除客機外，幾乎所有服役過的和現役的飛機都開展過載荷譜實測工作，實測過載荷譜的飛機不少于30個機型（含改型）。40多年來，我國飛機載荷譜實測工作經歷了如下發展過程。

（1）載荷譜飛行實測的飛機種類和機型繁多，既有進口飛機，又有國產飛機；既有當時沒有使用壽命指標的20世紀50年代、60年代生產的老式飛機，又有有使用壽命指標的21世紀初生產的現代飛機；既有軍用飛機，又有民用飛機；既有小型戰斗機（殲擊機、強擊機等），又有中、大型運輸機和轟炸機；在安排飛行實測的飛機中，既有在服役部隊或使用部門專門選一架正在服役的飛機，也有從生產線上專門選一架飛機進行架內和架外改裝后進行載荷譜飛行實測。

（2）載荷譜飛機實測的參數由少到多，由簡到繁。從20世紀60年代起，一些單位一開始用當時某些飛機上帶有的單參數（過載）或三參數記錄儀（速度、高度、過載）來實測并搜集有關數據，發展到十幾個、幾十個、甚至幾百個參數的載荷譜飛行實測。測試參數既包括反映一般飛行狀態的飛行參數（速度、高度、迎角等），又包括反映疲勞受載情況的載荷響應參數（三向線加速度、三向角速度、三向角加速度等）；既包括飛行參數和響應參數，又包括某些活動部件的運動參數（如操縱面偏角等）；既包括與疲勞損傷有關的參數，有時還包括腐蝕損傷或腐蝕疲勞有關的參數（溫度、濕度、大氣腐蝕環境參數、結構腐蝕環境參數等）。

（3）載荷譜飛行實測的飛機結構部件由少到多，由簡到繁。在20世紀60年代至70年代，主要是圍繞編制飛機法向重心過載譜來進行載荷譜飛行實測，重心過載譜有兩個突出優點：一是它能從整體上基本反映該飛機的疲勞受載情況；二是它與機翼或翼身組合體的載荷譜有強相關關系，因此，它能基本上反映翼身組合體的疲勞受載情況，通過它能比較方便導出機翼或翼身組合體載荷譜。然而，很難甚至不能直接由重心過載譜導出尾翼譜、前后機身譜、起落架譜等，即使由重心過載譜導出的機翼譜或翼身組合體譜也具有較大的誤差，因此，除實測重心過載譜外，還應實測飛機主要部件的載荷譜，于是，從20世紀70年代中后期開始，各有關單位就開始用應變法開展飛機主要部件的載荷譜實測工作，剛開始是機翼、尾翼、起落架載荷譜實測，后來發展到飛機的幾乎所有主要承力部件、構件和系統。例如，21世紀初進行的某型飛機載荷譜實測，實測的結構件包括左右機翼、機身、平尾、垂尾、起落架、活動翼面、操縱系統、座艙蓋等共約20多個部件、構件和系統。

（4）載荷譜飛行實測方法由單一方法到幾種方法并用。在20世紀60年代至70年代，幾個機種載荷譜實測基本上是參數法實測，而且實測的參數很少，然后根據實測的參數導出有關結構的載荷和載荷譜。從20世紀70年代開始，有關單位（主要是試飛院）就開始嘗試用應變法來實測飛機結構載荷和載荷譜，最初是實測簡單構件的載荷譜（如發動機架和撐桿）發展到實測復雜結構的載荷譜（如機翼、機身、起落架、尾翼），進而發展到用應變法測飛機幾乎所有受力構件的載荷譜，上例提到的21世紀初某型號的幾乎所有受力構件的載荷譜實測，就是用應變法實測全機載荷譜的典型實例。不僅如此，該型飛機還把載荷譜實測的參數法和應變法很好地結合使用，取得了明顯的效果。

（5）載荷譜飛行實測的測試儀器和設備由簡大粗到高精尖。20世紀60年代至70年代，用于空測載荷譜的測試儀器由機械式劃針或光學示波器來采集記錄數據，并由人工判讀和計算器或手搖式計算機進行數據處理，后來發展到用模擬磁記錄系統、數字式磁帶記錄系統和磁光盤式記錄系統來采集記錄數據，用大容量數字計算機來處理數據，再后來發展到帶記憶功能的數字式存儲器（如固態存儲器）來記錄數據，并可實時處理數據。傳感器系統和記錄器系統到目前為止已變得小型化和模塊化，數據處理也完全自動化。20世紀70年代，處理一個起落的載荷譜實測數據需要一個星期，現在只需要幾十分鐘。

2.飛機載荷譜編制

飛機載荷譜編制包括飛機設計使用載荷譜的編制和飛機實測載荷譜的編制。無論哪一類載荷譜的編制，都存在一個載荷譜編制通用的基本方法。從20世紀70年代，國內載荷譜實測和編制的實際情況出發，參考國外載荷譜編制的方法，80年代初，本書主筆提出了編制飛機使用載荷譜通用的基本方法——任務分析法，后來把這一方法的主要內容編入了GJB67.6—85《軍用飛機強度和剛度規范 可靠性要求和疲勞載荷》的使用說明中，80年代以后的國內各個型號的使用載荷譜（設計譜和實測譜）基本上都是按照這一基本方法來編制的。

1）飛機實測載荷譜編制

自20世紀60年代以來，我國飛機定壽主要是從當時的服役飛機開始的，飛機載荷譜的編制也主要是從實測載荷譜開始的。如何用任務分析法來編制實測載荷譜呢？

編制實測載荷譜首先碰到的一個重要問題是用什么計數法來統計實測的載荷時間歷程，當時搜集到國外用于編譜的計數法有十幾種，并且都嘗試過用它們來計數統計實測的載荷時間歷程，但究竟哪種計數法更好，心中把握不大。20世紀70年代末，當時的航空工業部主管部門組織630所（現中國飛行試驗研究院）、621所（現航空材料研究院）、北京航空航天大學和西北工業大學四個單位開展“飛機載荷譜計數法及其簡化原則”專題研究，通過用各種計數法及其簡化原則編制了各種不同的載荷譜，并用實測的原始隨機譜和據此編制的各種載荷譜進行壽命估算和對比疲勞試驗，經分析后認定基于雨流法的雙參數循環計數法是各種計數法之冠。于是，自80年代以來，國內各個型號的實測載荷譜基本上都是用基于雨流法的雙參數循環計數法統計載荷時間歷程的。

在飛機實測載荷譜具體編制方法方面，在20世紀90年代之前，各有關機種基本上都是用傳統均值載荷譜編制方法，該方法按任務分析法編譜思路，對各個飛行起落的載荷峰谷值進行計數統計后，載荷大小和頻數均取各載荷區間的平均值，用這種編譜方法編制了各有關機種的實測載荷譜，然后把這種實測譜轉換成用于疲勞分析的局部應力譜和用于疲勞試驗的試驗譜。對于試驗譜和應力譜，在20世紀70年代到80年代，各個型號的疲勞試驗和疲勞分析大部分都是簡化成程序塊譜，這種程序塊譜大部分按變均值簡化原則簡化的，也有按常均值簡化的（如陣風載荷）。用這樣的分析譜去進行疲勞分析和用這樣的試驗譜進行疲勞試驗，基本上滿足了當時各有關型號服役飛機結構的定壽延壽要求。

20世紀80年代中后期開始，各有關試驗單位陸續引進了多點協調加載的電液壓伺服加載試驗設備，使全尺寸飛機結構進行飛—續—飛疲勞/耐久性/損傷容限試驗由可能變成現實。從20世紀80年代后期開始，各有關型號飛機就陸續用飛—續—飛形式的實測譜或設計譜來進行疲勞/耐久性試驗和分析，進而確定或驗證飛機結構使用壽命，這一進程一直延續到現在。

盡管用傳統均值譜編制方法能基本滿足當時飛機實測載荷譜編制和飛機定壽延壽的需要，但這種編譜方法也有其自身固有的缺點，如載荷大小和頻數均取各個載荷區間的平均值使其載荷有一定失真度，經計數處理后失去了載荷順序和載荷狀態的有關信息，針對這些缺點，20世紀90年代初，著名飛機結構壽命和可靠性專家張福澤院士提出了編制飛機實測載荷譜的代表起落隨機載荷譜編制方法，該方法把實測載荷譜編制直接與飛機疲勞損傷聯系起來，既克服了傳統均值載荷譜編制方法的缺點，又能直接編制出以飛—續—飛形式給出的隨機載荷譜用于疲勞/耐久性試驗和分析，而且該編譜方法還簡單易行，便于編譜，便于使用。該編譜方法于90年代初，最先用于殲X飛機實測重心過載譜的編制。后來經過進一步充實和完善，該方法已成為一種最有發展前途的先進的實測載荷譜編制方法，從90年代中期到現在各種飛機機體實測載荷譜，大部分是用這種方法編譜，取得了巨大的經濟效益和社會效益。

代表起落隨機載荷譜編制方法的提出、實踐、完善、再實踐，和由此帶來的巨大的經濟效益和社會效益，使我國飛機實測載荷譜編制跨越了一大步，上了一個新臺階，不僅在國內，而且在世界上也是屬于該領域的領先水平，在某種程度上具有里程碑意義。

2）飛機設計使用載荷譜編制

我國飛機具有自主知識產權的完全自行設計基本上始于20世紀50年代末期，但當時的自行設計飛機主要是用靜強度設計準則，70年代中后期，我國自行設計的飛機開始考慮用安全壽命設計準則，并對以前靜強度設計的飛機用安全壽命準則進行事后補課，因此，我國飛機設計使用載荷譜的編制基本上始于70年代中后期，比飛機實測載荷譜的編制稍晚一些。

20世紀70年代中后期，我國型號飛機設計使用載荷譜編制的數據主要來自美國軍用規范MIL-A-8866中所提供的數據。后來，隨著國內各型號飛機實測載荷譜的日益累積，某些實測數據也用于新飛機的設計使用載荷譜編制。到90年代，隨著飛行模擬臺及大容量高速電子計算機在飛機結構設計中的應用，某些現代高性能飛機用飛行模擬和數字仿真所獲得的數據來編制飛機設計使用載荷譜。

基于編制飛機使用載荷譜的任務分析法和實測載荷譜編制方法，總結我國一些飛機設計使用載荷譜編制的實踐經驗，提高歸納后本書提出了編制飛機設計使用載荷譜的四種方法：規范譜分析法、類比分析法、飛行模擬法和綜合分析法。這些方法在我國一些飛機的設計使用載荷譜編制中都得到了具體應用，取得了很好的效果。

3.飛機載荷譜專題研究

為了滿足當時我國飛機自行設計和研制的要求，也為了配合當時眾多服役飛機型號定壽延壽工作，20世紀70年代末到21世紀初20多年期間，在當時航空工業主管部門的領導、組織和協調下，由飛行試驗研究院牽頭，集中當時國內飛機強度專家和工程技術人員，開展了飛機強度規范研究工作，項目名稱簡稱為“ASST系統工程”。涉及飛機結構靜、動、疲、熱四大載荷和強度專業，飛機載荷/環境譜專題研究是其中一項重要研究內容。參加該系統工程的單位有十幾個，包括主機廠所、專門研究機構和航空院校，參加人員常年約70余人，最多時達200人左右，既有資深的專家和教授，也有年青科技人員；既有從事理論研究和應用研究的科研人員，也有從事飛機結構研制的工程技術人員；既有側重于從事結構設計和強度分析的人員，也有側重于結構試驗（包括地面試驗和飛行試驗）的工程技術人員。通過多年研究，取得了一系列重要研究成果，既解決了飛機研制和使用中的重大技術問題，又為飛機強度規范的制定和修訂提供了依據和背景材料。就飛機載荷譜專題研究領域來說，這20年期間取得的重要研究成果包括：

（1）飛機載荷譜計數法及簡化原則研究；

（2）飛機機動載荷譜實測及編制技術研究；

（3）飛機飛—續—飛載荷譜研究；

（4）飛機尾翼載荷譜實測及編制技術研究；

（5）運輸機陣風載荷譜實測統計和編制技術研究；

（6）飛機離散陣風和連續陣風模型研究；

（7）飛機起落架載荷譜實測及編制技術研究；

（8）飛機跑道不平度統計實測及統計分析研究；

（9）飛機下沉速度譜實測及編制技術研究；

（10）戰斗機標準載荷譜研究；

（11）運輸機標準載荷譜研究；

（12）飛機地面載荷標準譜研究；

（13）飛機疲勞載荷監控技術研究；

（14）單機使用壽命監控技術研究；

（15）新機定型試飛階段實測載荷譜編制技術研究等。

飛機載荷譜專題研究大部分課題都是結合當時的型號飛機定壽延壽開展的，所取得的上述研究成果既解決了當時國內眾多飛機載荷譜實測、編制和飛機定壽延壽中的重大技術問題，又為GJB67.6—85《軍用飛機強度和剛度規范 可靠性要求和疲勞載荷》的制定和規范的執行了提供依據。

跨入21世紀后，飛機載荷譜研究工作并沒有終止，繼續開展了一些研究課題并取得了相應成果，如代表起落隨機載荷譜深化研究、基于外場大子樣的飛機實測載荷譜編制技術研究、編制飛機設計使用載荷譜的類比分析法研究等。

40多年來，國內飛機載荷譜研究、實測和編制從無到有，從小到大，從各自分散行事到統一組織集團軍式作戰，取得了豐碩成果。但事物的發展是永無止境的，該領域的前面還有許多問題等著我們去解決，例如，當前比較突出的一個問題就是飛機耐久性設計使用載荷譜和損傷容限設計使用譜載荷譜編制問題，特別是反映飛機嚴重使用情況的耐久性使用載荷譜如何編制等。

4.飛機環境譜和載荷-環境譜研究

從20世紀70年代開始，特別是80年代以來，隨著現代飛機對使用壽命要求越來越高，特別是隨著飛機在使用中暴露出來的腐蝕和腐蝕疲勞問題越來越嚴重，腐蝕環境下飛機使用壽命的確定和延壽就變成一個亟待解決的重要問題，而如何編制環境譜和載荷—環境譜又是重中之重。

國內對飛機結構腐蝕疲勞定壽研究較晚，基本上起于20世紀80年代中后期。當時主要從以下兩個方面開展了該領域的基礎研究和應用研究工作。

（1）在當時航空工業主管部門的領導、組織和協調下，由科研單位、設計單位和院校聯合開展了飛機使用環境譜和載荷—環境譜編制研究、飛機當量環境譜研究等專題研究，提出了編制飛機使用環境譜的任務—環境分析法，提出了當量環境譜編制方法，提出了飛機載荷—環境譜編制方法，并把這些編譜方法用到了相應的型號研制和現役飛機的定壽延壽中。

（2）針對某些現役飛機的腐蝕和腐蝕疲勞嚴重問題編制了相應的飛機環境譜和載荷-環境譜，并且用這些譜進行相應的壽命分析和試驗，解決了這些服役飛機的腐蝕疲勞定壽延壽問題。例如，20世紀90年代前后的水轟5飛機和新舊世紀交替年代（2000年）的殲×系列飛機，都因腐蝕問題嚴重威協著這些飛機的使用壽命。在當時主管部門的組織和協調下，以設計單位為主開展了這些飛機的使用壽命評定工作。首先是分別編制了這些飛機的使用環境譜、當量環境譜和載荷—環境譜，并用這些譜進行了相應的壽命分析和試驗，達到了預期效果，既解決了這些飛機腐蝕和腐蝕疲勞定壽問題，又摸索出了一套針對具體型號飛機的載荷/環境譜編制方法和腐蝕環境條件下的疲勞定壽途經。

近20年來，國內盡管在飛機結構載荷/環境譜研究及腐蝕環境下飛機使用壽命研究領域取得了可喜的成績，但該領域的研究特別是應用研究還僅僅是開始，離現代飛機的長壽命、高可靠性的高標準要還差得很遠，離新國軍標對新機載荷/環境譜編制要求和使用壽命設計及驗證要求還差得很遠，有待加大人力、物力和財力進行更深入的研究。