七月初的这天上午,江砚秋拿着最新出炉的机身疲劳分析报告,愁得在研发中心走廊里转了三圈。报告上的红字结论很刺眼:按现有设计,机翼根部几个关键连接点的疲劳寿命,只有设计目标的一半。
“不能再减重了,再减强度更不够。”他自言自语,“可增加结构重量,气动性能又受影响这死循环怎么破?”
秦昭廷从气动设计室探出头:“老江,转悠啥呢?开会时间到了。”
“开什么会也解决不了材料疲劳问题。”江砚秋把报告递过去,“你看,谢工那边铝材性能已经到顶了,程工那边结构优化也榨不出油水了。咱们这飞机,总不能飞五百小时就大修吧?”
两人正发愁,程谨之和叶景行也拿着图纸过来,四人凑在走廊窗边,盯着报告上的应力云图,一片沉默。
突然,江砚秋一拍窗台:“走!去坦克厂!”
“啊?”另外三人愣住。
“坦克!”江砚秋眼睛发亮,“坦克要扛炮击,要抗冲击,他们的装甲结构、焊接工艺、抗疲劳设计,肯定有咱们能借鉴的地方!”
秦昭廷犹豫:“可那是钢铁,咱们是铝材,材料特性完全不一样”
“材料不一样,但力学原理相通!”江砚秋已经往外走了,“程工、叶工,你们结构专业的更该去听听!”
一刻钟后,四人出现在瓦窑堡兵工厂的坦克装配车间门口。车间里叮叮当当响成一片,空气中弥漫着机油和焊接烟的味道。一台半成品的坦克车体停在装配台上,几个工人正在焊接炮塔座圈。
坦克火炮专家杨勇——大家习惯叫他老杨——正蹲在车体旁,用手指敲击着一块装甲板的焊缝。听见脚步声,他抬起头,看见江砚秋一行人,笑着站起来:“哟,稀客啊!飞机专家怎么跑我们这‘铁疙瘩’车间来了?”
江砚秋开门见山:“杨工,取经来了。我们飞机机身遇到疲劳寿命问题,想看看你们坦克装甲是怎么抗冲击、抗循环载荷的。”
老杨一听是技术问题,立刻来了精神:“疲劳问题?来来来,这边说!”他领着四人走到那台半成品坦克旁,拍着炮塔座圈,“看见没?这儿,要承受火炮后坐力,每开一炮就是一次冲击循环。我们最初的设计,打两百发炮弹焊缝就裂。”
程谨之蹲下仔细看焊缝:“你们怎么解决的?”
“改焊接工艺!”老杨从工具台上拿起个焊帽,“传统电弧焊热输入大,热影响区宽,材料性能下降。我们改用了短弧焊加脉冲——热输入小,焊缝窄而深,热影响区只有原来的三分之一。”
叶景行若有所思:“对铝合金来说,焊接热影响更敏感但道理相通,控制热输入能减少性能损失。”
“不止!”老杨又指向炮塔与车体的连接部位,“再看这儿。原来是用螺栓连接,震动大了螺栓会松。主要承力用焊接,辅助固定用铆接,既保证强度,又方便维修。”
秦昭廷眼睛一亮:“这个思路好!我们机翼与机身的连接,现在是纯螺栓连接,也许可以借鉴”
“还有更妙的。”老杨走到车体前装甲处,指着那些波浪形的防弹槽,“看见这纹路没?这不是为了好看——这是‘诱导裂纹’设计。”
“诱导裂纹?”江砚秋没听懂。
“对!”老杨用粉笔在旁边钢板上画示意图,“当炮弹击中时,应力会沿着这些预设的纹路扩展,把大裂纹‘化整为零’,变成一堆小裂纹。小裂纹扩展慢,不会一下子崩掉整块板。”
程谨之猛地站起来:“这个思路可以用在机身的蒙皮上!铝蒙皮被子弹击中后,裂纹如果无序扩展,可能撕开一大片。如果预设一些弱化线”
“但那是装甲,要防弹。”秦昭廷提出疑问,“飞机蒙皮要减重,不能做那么厚。”
老杨哈哈大笑:“谁让你们照搬了?思路!思路懂吗?比如——”他指着机翼根部那个应力集中的区域,“你们这个地方疲劳寿命短,是不是因为应力太集中?那能不能在周围做一些‘应力分散槽’,把集中应力引导到非关键区域去?”
四人面面相觑,这思路确实新鲜。
江砚秋立刻拿出机身图纸,摊在工具台上:“杨工,您给具体看看?”
老杨戴上老花镜,仔细看了会儿图纸,手指点了三个地方:“这儿,机翼前梁与机身连接处——你们现在用的是直角过渡,应力集中系数太高。改成圆弧过渡,圆弧半径至少是板厚的五倍,应力能降三成。”
程谨之迅速记下。
“这儿,起落架安装座。”老杨指着另一个位置,“你们用了一堆加强筋,但筋与筋之间的‘筋间板’太薄,容易失稳。不如改成蜂窝状加强结构——就像坦克炮塔内部的防崩落衬层,重量增加不多,但刚度翻倍。”
叶景行连连点头:“蜂窝结构我们已经在非承力部位用了,承力部位还真没敢试但理论上可行!”
“第三个地方。”老杨的手指移到机身中段,“这个大开口——是装油箱的吧?开口边缘你们做了加强框,但框的截面是等厚的。应该改成变截面——开口应力大的地方加厚,应力小的地方减薄。我们坦克炮塔上的观察窗开口,就是这么干的。”
江砚秋看着这三个建议,呼吸都有些急促了:“杨工,这三个改动,您估计能提升多少疲劳寿命?”
老杨摸着下巴想了想:“材料不一样,我不敢说准。但按我们坦克的经验,这种优化至少能让疲劳寿命提高百分之五十到八十。不过——”他话锋一转,“工艺难度会加大,特别是变截面框和蜂窝加强结构,加工起来麻烦。”
“工艺我们去想办法!”程谨之已经掏出本子开始画草图,“只要理论可行,赵承泽那边总有办法!”
秦昭廷则关注另一个问题:“杨工,您刚才说的‘焊接+铆接’复合连接,对铝合金适用吗?铝材焊接容易变形”
“所以我们坦克用钢啊!”老杨笑道,“不过铝材焊接你们可以试试新工艺。我听说国外有种‘搅拌摩擦焊’,不用熔化材料,靠摩擦热软化再压实,变形小,强度接近母材。就是设备难搞。”
“搅拌摩擦焊”江砚秋记下这个名词,“回头我去查资料。”
四人又在车间里转了一圈,看了坦克底盘的大梁结构、悬挂系统的减震设计、甚至传动轴的抗扭构造。每看一处,都能联想到飞机上的某个对应部位,脑子里火花四溅。
临走时,老杨送到车间门口,忽然想起什么:“对了,你们飞机上有没有需要防弹的部位?比如飞行员座椅后背?”
“有啊!”江砚秋点头,“但防弹钢板太重,我们一直没找到合适的轻量化方案。”
老杨神秘一笑:“我们正在试制一种‘陶瓷-铝合金复合装甲’,表面是陶瓷,背面是铝。陶瓷脆但硬,能把子弹撞碎;铝合金韧,吸收剩余能量。同等防护水平,重量只有钢装甲的三分之一。就是还没完全成功,成品率太低。”
“成品率低不怕!”江砚秋眼睛又亮了,“只要能做出来,飞行员就多一分安全!杨工,这个技术如果能用在飞行员座椅和关键设备舱”
“等我们搞成了,第一个通知你们!”老杨挥挥手,“快回去吧,看你们这兴奋劲儿,今晚又得熬夜画图了!”
回研发中心的路上,四个人脚步都轻快了不少。程谨之边走边算:“圆弧过渡、蜂窝加强、变截面框这三处改动,重量大概会增加百分之三到五,但疲劳寿命能大幅提升。值!”
秦昭廷则对江砚秋说:“老江,这下气动外形可能得微调了。机翼根部如果加蜂窝结构,蒙皮外形会有微小变化,我得重新算气动特性。”
“算!该算就算!”江砚秋心情大好,“只要飞机能更结实、更安全,气动损失点我认了!”
四人回到研发中心,一头扎进程谨之的结构设计室。图纸铺了满桌,计算尺哗啦啦响。窗外的天色从亮到暗,他们浑然不觉。
而此刻,在坦克车间的老杨,看着桌上那张江砚秋留下的机身图纸复印件,拿起红铅笔在上面又画了个圈——那是发动机防火墙的位置。他忽然想到,坦克发动机舱的防火隔板设计,也许对飞机的防火系统也有借鉴意义。但这个想法,他没来得及说。
夜深了,结构设计室的灯还亮着。程谨之在草图上画出了第一个“诱导应力分散槽”的雏形,但心里隐隐觉得,这个设计可能会改变机身的振动模态——而振动特性,恰恰是疲劳分析中最复杂、最难以预测的部分。这个担忧,他暂时没说出口,怕打击大家的积极性。
窗外,夏虫鸣叫。新的一天又要到来,而“山鹰”的翅膀,正在这一次次的优化中,悄然变得更加坚韧。