1.5.3 国内发展概况

新中国成立以来，我国的航空工业走过了一条从仿制到自行设计的道路。20世纪80年代以前国内服役的飞机，军用飞机大部分都是仿制的，小部分是外购的，还有少部分是国外飞机的改型设计；民用飞机则全是外购的。无论是哪种类型的飞机，当时大部分都是20世纪50年代至60年代按静强度准则设计的，没有使用寿命指标；即使少部分按安全寿命准则设计的国外进口飞机，也只有一个总的使用寿命指标，没有具体的相关资料，而这些当时服役的飞机，有的已出现各种问题，如局部裂纹、部分构件功能失效等；有的已飞行几千飞行小时，究竟这些飞机能够飞行多长时间，一片茫然，即使少数有使用寿命指标的服役飞机，由于缺少相关资料，它们何时检修，如何检修，是否可延寿等，也是心中无数。诸如此类问题，归结到一点，就是亟待解决这些服役飞机的定寿延寿问题。

另一方面，20世纪50年代末期我国就着手开始自行设计飞机，刚开始的自行设计飞机仍然是按静强度设计准则来设计的（如强5、歼8等）。到了70年代就开始考虑疲劳强度，增加了安全寿命设计准则（如歼轰7等）；即使一开始按静强度设计的飞机，到后来也要进行疲劳分析。因此，我国自行设计的飞机都存在一个飞机定寿问题。

无论是我国当时服役的飞机，还是自行设计的飞机，都要确定飞机结构的使用寿命。要定寿，首先就要解决载荷谱问题。载荷谱如何实测？要编制什么样的载荷谱？如何编制实测载荷谱和设计使用载荷谱？如何用载荷谱进行疲劳/耐久性/损伤容限试验和分析？这些问题都亟待解决。

1.飞机载荷谱实测

国内飞机载荷谱实测始于20世纪60年代，空军航空所（原空一所）为解决米格15飞机延寿问题，从1965年开始进行了载荷谱实测工作，当时选用CΠ-11单向过载自记器用部队一架现役飞机完成了约32个起落的单参数载荷谱实测，由此编制了该飞机试验谱进行了相应的疲劳试验，解决了该机延寿问题。几乎同时，飞行试验研究院在国内率先开展了飞机载荷谱飞行试验多参数实测技术研究，当时用的飞行试验研究院一架歼6飞机进行参数法载荷谱实测，实测了十几个飞行参数和平尾、垂尾的载荷，并编制了相应的载荷谱，这是当时国内载荷谱多参数飞行实测和编制的最早尝试和探索。紧接着在20世纪70年代初，根据当时空军在轰5使用中发现发动机架和发动机撑杆出现的疲劳裂纹，飞行试验研究院开展了轰5发动机架和发动机撑杆载荷谱实测工作，用的一架部队现役轰5飞机进行应变法载荷谱实测，这是当时国内首次开展的应变法载荷谱实测工作。当时在被试的发动机架和发动机撑杆相应位置上粘贴了若干应变计，经过实验室载荷标定试验，用回归分析方法获得了载荷方程。通过飞行实测，编制了轰5发动机架和发动机撑杆载荷谱并使之用于相应的疲劳试验，根据试验结果采取措施，解决了轰5飞机外场使用的疲劳问题。

从20世纪70年代开始，在航空工业部门和使用部门的共同领导和组织下，我国各种服役飞机陆续开展了载荷谱实测工作。到目前为止的40年期间，除客机外，几乎所有服役过的和现役的飞机都开展过载荷谱实测工作，实测过载荷谱的飞机不少于30个机型（含改型）。40多年来，我国飞机载荷谱实测工作经历了如下发展过程。

（1）载荷谱飞行实测的飞机种类和机型繁多，既有进口飞机，又有国产飞机；既有当时没有使用寿命指标的20世纪50年代、60年代生产的老式飞机，又有有使用寿命指标的21世纪初生产的现代飞机；既有军用飞机，又有民用飞机；既有小型战斗机（歼击机、强击机等），又有中、大型运输机和轰炸机；在安排飞行实测的飞机中，既有在服役部队或使用部门专门选一架正在服役的飞机，也有从生产线上专门选一架飞机进行架内和架外改装后进行载荷谱飞行实测。

（2）载荷谱飞机实测的参数由少到多，由简到繁。从20世纪60年代起，一些单位一开始用当时某些飞机上带有的单参数（过载）或三参数记录仪（速度、高度、过载）来实测并搜集有关数据，发展到十几个、几十个、甚至几百个参数的载荷谱飞行实测。测试参数既包括反映一般飞行状态的飞行参数（速度、高度、迎角等），又包括反映疲劳受载情况的载荷响应参数（三向线加速度、三向角速度、三向角加速度等）；既包括飞行参数和响应参数，又包括某些活动部件的运动参数（如操纵面偏角等）；既包括与疲劳损伤有关的参数，有时还包括腐蚀损伤或腐蚀疲劳有关的参数（温度、湿度、大气腐蚀环境参数、结构腐蚀环境参数等）。

（3）载荷谱飞行实测的飞机结构部件由少到多，由简到繁。在20世纪60年代至70年代，主要是围绕编制飞机法向重心过载谱来进行载荷谱飞行实测，重心过载谱有两个突出优点：一是它能从整体上基本反映该飞机的疲劳受载情况；二是它与机翼或翼身组合体的载荷谱有强相关关系，因此，它能基本上反映翼身组合体的疲劳受载情况，通过它能比较方便导出机翼或翼身组合体载荷谱。然而，很难甚至不能直接由重心过载谱导出尾翼谱、前后机身谱、起落架谱等，即使由重心过载谱导出的机翼谱或翼身组合体谱也具有较大的误差，因此，除实测重心过载谱外，还应实测飞机主要部件的载荷谱，于是，从20世纪70年代中后期开始，各有关单位就开始用应变法开展飞机主要部件的载荷谱实测工作，刚开始是机翼、尾翼、起落架载荷谱实测，后来发展到飞机的几乎所有主要承力部件、构件和系统。例如，21世纪初进行的某型飞机载荷谱实测，实测的结构件包括左右机翼、机身、平尾、垂尾、起落架、活动翼面、操纵系统、座舱盖等共约20多个部件、构件和系统。

（4）载荷谱飞行实测方法由单一方法到几种方法并用。在20世纪60年代至70年代，几个机种载荷谱实测基本上是参数法实测，而且实测的参数很少，然后根据实测的参数导出有关结构的载荷和载荷谱。从20世纪70年代开始，有关单位（主要是试飞院）就开始尝试用应变法来实测飞机结构载荷和载荷谱，最初是实测简单构件的载荷谱（如发动机架和撑杆）发展到实测复杂结构的载荷谱（如机翼、机身、起落架、尾翼），进而发展到用应变法测飞机几乎所有受力构件的载荷谱，上例提到的21世纪初某型号的几乎所有受力构件的载荷谱实测，就是用应变法实测全机载荷谱的典型实例。不仅如此，该型飞机还把载荷谱实测的参数法和应变法很好地结合使用，取得了明显的效果。

（5）载荷谱飞行实测的测试仪器和设备由简大粗到高精尖。20世纪60年代至70年代，用于空测载荷谱的测试仪器由机械式划针或光学示波器来采集记录数据，并由人工判读和计算器或手摇式计算机进行数据处理，后来发展到用模拟磁记录系统、数字式磁带记录系统和磁光盘式记录系统来采集记录数据，用大容量数字计算机来处理数据，再后来发展到带记忆功能的数字式存储器（如固态存储器）来记录数据，并可实时处理数据。传感器系统和记录器系统到目前为止已变得小型化和模块化，数据处理也完全自动化。20世纪70年代，处理一个起落的载荷谱实测数据需要一个星期，现在只需要几十分钟。

2.飞机载荷谱编制

飞机载荷谱编制包括飞机设计使用载荷谱的编制和飞机实测载荷谱的编制。无论哪一类载荷谱的编制，都存在一个载荷谱编制通用的基本方法。从20世纪70年代，国内载荷谱实测和编制的实际情况出发，参考国外载荷谱编制的方法，80年代初，本书主笔提出了编制飞机使用载荷谱通用的基本方法——任务分析法，后来把这一方法的主要内容编入了GJB67.6—85《军用飞机强度和刚度规范 可靠性要求和疲劳载荷》的使用说明中，80年代以后的国内各个型号的使用载荷谱（设计谱和实测谱）基本上都是按照这一基本方法来编制的。

1）飞机实测载荷谱编制

自20世纪60年代以来，我国飞机定寿主要是从当时的服役飞机开始的，飞机载荷谱的编制也主要是从实测载荷谱开始的。如何用任务分析法来编制实测载荷谱呢？

编制实测载荷谱首先碰到的一个重要问题是用什么计数法来统计实测的载荷时间历程，当时搜集到国外用于编谱的计数法有十几种，并且都尝试过用它们来计数统计实测的载荷时间历程，但究竟哪种计数法更好，心中把握不大。20世纪70年代末，当时的航空工业部主管部门组织630所（现中国飞行试验研究院）、621所（现航空材料研究院）、北京航空航天大学和西北工业大学四个单位开展“飞机载荷谱计数法及其简化原则”专题研究，通过用各种计数法及其简化原则编制了各种不同的载荷谱，并用实测的原始随机谱和据此编制的各种载荷谱进行寿命估算和对比疲劳试验，经分析后认定基于雨流法的双参数循环计数法是各种计数法之冠。于是，自80年代以来，国内各个型号的实测载荷谱基本上都是用基于雨流法的双参数循环计数法统计载荷时间历程的。

在飞机实测载荷谱具体编制方法方面，在20世纪90年代之前，各有关机种基本上都是用传统均值载荷谱编制方法，该方法按任务分析法编谱思路，对各个飞行起落的载荷峰谷值进行计数统计后，载荷大小和频数均取各载荷区间的平均值，用这种编谱方法编制了各有关机种的实测载荷谱，然后把这种实测谱转换成用于疲劳分析的局部应力谱和用于疲劳试验的试验谱。对于试验谱和应力谱，在20世纪70年代到80年代，各个型号的疲劳试验和疲劳分析大部分都是简化成程序块谱，这种程序块谱大部分按变均值简化原则简化的，也有按常均值简化的（如阵风载荷）。用这样的分析谱去进行疲劳分析和用这样的试验谱进行疲劳试验，基本上满足了当时各有关型号服役飞机结构的定寿延寿要求。

20世纪80年代中后期开始，各有关试验单位陆续引进了多点协调加载的电液压伺服加载试验设备，使全尺寸飞机结构进行飞—续—飞疲劳/耐久性/损伤容限试验由可能变成现实。从20世纪80年代后期开始，各有关型号飞机就陆续用飞—续—飞形式的实测谱或设计谱来进行疲劳/耐久性试验和分析，进而确定或验证飞机结构使用寿命，这一进程一直延续到现在。

尽管用传统均值谱编制方法能基本满足当时飞机实测载荷谱编制和飞机定寿延寿的需要，但这种编谱方法也有其自身固有的缺点，如载荷大小和频数均取各个载荷区间的平均值使其载荷有一定失真度，经计数处理后失去了载荷顺序和载荷状态的有关信息，针对这些缺点，20世纪90年代初，著名飞机结构寿命和可靠性专家张福泽院士提出了编制飞机实测载荷谱的代表起落随机载荷谱编制方法，该方法把实测载荷谱编制直接与飞机疲劳损伤联系起来，既克服了传统均值载荷谱编制方法的缺点，又能直接编制出以飞—续—飞形式给出的随机载荷谱用于疲劳/耐久性试验和分析，而且该编谱方法还简单易行，便于编谱，便于使用。该编谱方法于90年代初，最先用于歼X飞机实测重心过载谱的编制。后来经过进一步充实和完善，该方法已成为一种最有发展前途的先进的实测载荷谱编制方法，从90年代中期到现在各种飞机机体实测载荷谱，大部分是用这种方法编谱，取得了巨大的经济效益和社会效益。

代表起落随机载荷谱编制方法的提出、实践、完善、再实践，和由此带来的巨大的经济效益和社会效益，使我国飞机实测载荷谱编制跨越了一大步，上了一个新台阶，不仅在国内，而且在世界上也是属于该领域的领先水平，在某种程度上具有里程碑意义。

2）飞机设计使用载荷谱编制

我国飞机具有自主知识产权的完全自行设计基本上始于20世纪50年代末期，但当时的自行设计飞机主要是用静强度设计准则，70年代中后期，我国自行设计的飞机开始考虑用安全寿命设计准则，并对以前静强度设计的飞机用安全寿命准则进行事后补课，因此，我国飞机设计使用载荷谱的编制基本上始于70年代中后期，比飞机实测载荷谱的编制稍晚一些。

20世纪70年代中后期，我国型号飞机设计使用载荷谱编制的数据主要来自美国军用规范MIL-A-8866中所提供的数据。后来，随着国内各型号飞机实测载荷谱的日益累积，某些实测数据也用于新飞机的设计使用载荷谱编制。到90年代，随着飞行模拟台及大容量高速电子计算机在飞机结构设计中的应用，某些现代高性能飞机用飞行模拟和数字仿真所获得的数据来编制飞机设计使用载荷谱。

基于编制飞机使用载荷谱的任务分析法和实测载荷谱编制方法，总结我国一些飞机设计使用载荷谱编制的实践经验，提高归纳后本书提出了编制飞机设计使用载荷谱的四种方法：规范谱分析法、类比分析法、飞行模拟法和综合分析法。这些方法在我国一些飞机的设计使用载荷谱编制中都得到了具体应用，取得了很好的效果。

3.飞机载荷谱专题研究

为了满足当时我国飞机自行设计和研制的要求，也为了配合当时众多服役飞机型号定寿延寿工作，20世纪70年代末到21世纪初20多年期间，在当时航空工业主管部门的领导、组织和协调下，由飞行试验研究院牵头，集中当时国内飞机强度专家和工程技术人员，开展了飞机强度规范研究工作，项目名称简称为“ASST系统工程”。涉及飞机结构静、动、疲、热四大载荷和强度专业，飞机载荷/环境谱专题研究是其中一项重要研究内容。参加该系统工程的单位有十几个，包括主机厂所、专门研究机构和航空院校，参加人员常年约70余人，最多时达200人左右，既有资深的专家和教授，也有年青科技人员；既有从事理论研究和应用研究的科研人员，也有从事飞机结构研制的工程技术人员；既有侧重于从事结构设计和强度分析的人员，也有侧重于结构试验（包括地面试验和飞行试验）的工程技术人员。通过多年研究，取得了一系列重要研究成果，既解决了飞机研制和使用中的重大技术问题，又为飞机强度规范的制定和修订提供了依据和背景材料。就飞机载荷谱专题研究领域来说，这20年期间取得的重要研究成果包括：

（1）飞机载荷谱计数法及简化原则研究；

（2）飞机机动载荷谱实测及编制技术研究；

（3）飞机飞—续—飞载荷谱研究；

（4）飞机尾翼载荷谱实测及编制技术研究；

（5）运输机阵风载荷谱实测统计和编制技术研究；

（6）飞机离散阵风和连续阵风模型研究；

（7）飞机起落架载荷谱实测及编制技术研究；

（8）飞机跑道不平度统计实测及统计分析研究；

（9）飞机下沉速度谱实测及编制技术研究；

（10）战斗机标准载荷谱研究；

（11）运输机标准载荷谱研究；

（12）飞机地面载荷标准谱研究；

（13）飞机疲劳载荷监控技术研究；

（14）单机使用寿命监控技术研究；

（15）新机定型试飞阶段实测载荷谱编制技术研究等。

飞机载荷谱专题研究大部分课题都是结合当时的型号飞机定寿延寿开展的，所取得的上述研究成果既解决了当时国内众多飞机载荷谱实测、编制和飞机定寿延寿中的重大技术问题，又为GJB67.6—85《军用飞机强度和刚度规范 可靠性要求和疲劳载荷》的制定和规范的执行了提供依据。

跨入21世纪后，飞机载荷谱研究工作并没有终止，继续开展了一些研究课题并取得了相应成果，如代表起落随机载荷谱深化研究、基于外场大子样的飞机实测载荷谱编制技术研究、编制飞机设计使用载荷谱的类比分析法研究等。

40多年来，国内飞机载荷谱研究、实测和编制从无到有，从小到大，从各自分散行事到统一组织集团军式作战，取得了丰硕成果。但事物的发展是永无止境的，该领域的前面还有许多问题等着我们去解决，例如，当前比较突出的一个问题就是飞机耐久性设计使用载荷谱和损伤容限设计使用谱载荷谱编制问题，特别是反映飞机严重使用情况的耐久性使用载荷谱如何编制等。

4.飞机环境谱和载荷-环境谱研究

从20世纪70年代开始，特别是80年代以来，随着现代飞机对使用寿命要求越来越高，特别是随着飞机在使用中暴露出来的腐蚀和腐蚀疲劳问题越来越严重，腐蚀环境下飞机使用寿命的确定和延寿就变成一个亟待解决的重要问题，而如何编制环境谱和载荷—环境谱又是重中之重。

国内对飞机结构腐蚀疲劳定寿研究较晚，基本上起于20世纪80年代中后期。当时主要从以下两个方面开展了该领域的基础研究和应用研究工作。

（1）在当时航空工业主管部门的领导、组织和协调下，由科研单位、设计单位和院校联合开展了飞机使用环境谱和载荷—环境谱编制研究、飞机当量环境谱研究等专题研究，提出了编制飞机使用环境谱的任务—环境分析法，提出了当量环境谱编制方法，提出了飞机载荷—环境谱编制方法，并把这些编谱方法用到了相应的型号研制和现役飞机的定寿延寿中。

（2）针对某些现役飞机的腐蚀和腐蚀疲劳严重问题编制了相应的飞机环境谱和载荷-环境谱，并且用这些谱进行相应的寿命分析和试验，解决了这些服役飞机的腐蚀疲劳定寿延寿问题。例如，20世纪90年代前后的水轰5飞机和新旧世纪交替年代（2000年）的歼×系列飞机，都因腐蚀问题严重威协着这些飞机的使用寿命。在当时主管部门的组织和协调下，以设计单位为主开展了这些飞机的使用寿命评定工作。首先是分别编制了这些飞机的使用环境谱、当量环境谱和载荷—环境谱，并用这些谱进行了相应的寿命分析和试验，达到了预期效果，既解决了这些飞机腐蚀和腐蚀疲劳定寿问题，又摸索出了一套针对具体型号飞机的载荷/环境谱编制方法和腐蚀环境条件下的疲劳定寿途经。

近20年来，国内尽管在飞机结构载荷/环境谱研究及腐蚀环境下飞机使用寿命研究领域取得了可喜的成绩，但该领域的研究特别是应用研究还仅仅是开始，离现代飞机的长寿命、高可靠性的高标准要还差得很远，离新国军标对新机载荷/环境谱编制要求和使用寿命设计及验证要求还差得很远，有待加大人力、物力和财力进行更深入的研究。