施荣明：歼-8飞机炮击振动故障排除和油管破裂整机烧毁分析

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导读：2023年11月13日，仿真秀很荣幸采访到了原中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所副所长施荣明先生。通过《施荣明-从飞机结构设计到振动强度专家的转型之路》文章向大家介绍了施荣明先生在沈阳所成为飞机结构振动强度专家的故事。而这篇文章，我们为大家带来两段施老讲述的，关于歼-8飞机振动故障排除的精彩故事。希望能够引发从事结构振动设计与试验的研发工程师和学习者的共鸣。

本文讲述的案例均已公开发表于施荣明编著的《飞机结构振动设计与试验》书中。笔者综合书中案例与施老口述内容整理成文。

一、歼8飞机炮击振动故障分析与处理

歼8飞机自1965年开始研制，1969年首飞，到1980年批准定型，经历了十年试飞，解决了一系列技术问题。其研制过程是典型的“引进、消化、再创新”的过程，标志着我国航空工业从仿制走上了自行设计的道路。在此过程中，中国的工程师们遭遇并解决了大量具体的技术难题。炮击振动故障问题就是其中典型一例。

歼8白天型飞机前机身安装有两门30-II航炮。这样的航炮是第一次安装在歼8飞机上，最初是请兵器部一位留学捷克的专家为歼8量身定制的。这门炮威力巨大，炮弹直径足有30mm，对方飞机只要吃上一发炮弹准保完蛋。因为威力大，导致这门炮还有一个指标是世界第一——它的后坐力世界最大，而且没有减震，是硬撞击。

在设计初期，按使用载荷60000N乘以安全系数2，即120000N设计载荷去设计，后续加强后又将设计载荷加大到160000N，地面实弹射击500余发，结构也没有发生损坏。可是在航炮实际安装到飞机上，地面和试飞过程中进行炮击试验时却出了问题。最严重的一次，炮击让飞机的冷气导管断裂，冷气泄露导致飞机着陆的时候没能有效刹车，飞机把预备的跑道距离跑完了，险些造成严重的事故。

这个问题非常严重，不单单是飞机试验无法通过，而且航炮也装不上去了。

施荣明带领振动强度团队做了很多分析，研究出现故障的原因。

为什么结构能通过静力试验验证，却在实际测试中发生破坏呢？研究发现，主要有两方面原因。

第一个原因是这门炮的载荷确实比较大。

按照设计协议，航炮单发后坐力数值最初是60000N，1971年试验大纲中确定单发、连发后坐力最大值不超过80000N，结构静强度就按照2倍安全系数160000N设计。但在实弹打靶中，测得最大连发后坐力已达到120000N，许多满应力设计部位的材料已经进入塑性区，一些应力集中部位（如孔边、下陷、焊缝等）尤其严重。在多次炮击高应力重复荷载作用下，发生了低周疲劳破坏。

第二个原因，就是炮击导致系统的整体动态响应大。

因为航炮是安装在其支持结构上的，在炮击载荷作用下，飞机结构会产生动响应，这一响应与结构的动力特性有关。在相同动载荷作用下，不同当量刚度的支持结构产生的响应也不一样。

如果要用试验测试不同当量刚度的支持结构的响应，工作量和耗费的时间都无法接受。所以在这里就用到了动响应分析的仿真计算软件。通过数值计算发现，在炮击载荷作用下，动态响应随着支持刚度的增加，呈增加-下降-增加-下降的非单调曲线。

（表格、图片截取自公开出版物《飞机结构振动设计与试验》，施荣明编著）

航炮最初的支撑设计，恰好处于第一阶频率对应的广义刚度上，此时结构的动态响应非常大，所以导致了航炮附近承力结构的破坏。

最终，虽然我们找到了改进的方法，但空军机关为了保险起见，还是采取了更换航炮的办法，采用了双管-23航炮，增加了缓冲簧系统，使航炮的后坐力减小到原来的28%，且连发载荷不叠加；另一方面对航炮的支持系统进行结构动力学设计，使系统得到最佳响应值。最终歼8全天候型飞机配装的23-3航炮，匹配曲线的响应值处于低谷附近，成功解决了这一故障问题。

通过对歼8飞机航炮故障的排查和分析，施荣明和沈阳所的工程师们总结出了非常重要的原理。后续应用这一经验，不仅解决了歼8飞机上的问题，还解决了武装直升机、乃至后来的歼11飞机的炮击响应问题。甚至相关经验还可以应用在民用产品振动台的夹具设计中。关于这部分话题，敬请期待11月21日施荣明老师在仿真秀的《结构振动设计与试验的关键技术》线上报告中进行详细讲解。