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张福泽院士:给出产品使用寿命是保产品安全和提升经济效益的一种技术途径

2019-02-21 15:51:01
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

随着中国国力增强,国际地位不断提升,中国航空事业的发展日新月异。从“初教-5”到“歼-20”,世界对中国的航空业有了全新的认识。这一切的一切,都是无数伟大的科技工作者们呕心沥血、顽强拼搏的结果,他们用智慧和心血点亮了民族的精神,撑起了祖国的脊梁!

    随着中国国力增强,国际地位不断提升,中国航空事业的发展日新月异。从“初教-5”到“歼-20”,世界对中国的航空业有了全新的认识。这一切的一切,都是无数伟大的科技工作者们呕心沥血、顽强拼搏的结果,他们用智慧和心血点亮了民族的精神,撑起了祖国的脊梁!


    中国工程院院士张福泽就是其中之一,他是我国大机群飞机定寿、延寿事业的开拓者及奠基人,也是我国第一部飞机疲劳强度规范的开拓者和制定者之一,还是破解我国近万架飞机无法定寿之谜的人。在国际疲劳理论研究中,他独创“寿命类比计算法”“张氏代表起落谱”“寿命系数定寿法”和“损耗系数单机寿命监控新方法”;引领国际疲劳分散系数创新发展30年。在国际日历寿命研究中,他独创飞机日历寿命计算理论和确定方法,开启了国际机械日历寿命确定的新理论和方法,解决了国际上一直没有解决的难题。

 

    自1966年底步入飞机结构寿命和可靠性的研究领域之后,他一直在科研第一线辛勤耕耘,默默奉献。在不断探索、创新、追求和攀登中度过了50多年的科学生涯,以发明、开拓和超越演绎着他的科研人生。以“不破楼兰誓不还”的决心创下国家级和省部级奖多项的累累硕果。如今,这位83岁的老人仍心系祖国科研事业,为国为民!


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    勇担重任   与“疲劳”结下不解之缘

 

    1936年,张福泽出生在辽宁省岫岩县一个偏僻山村的农民家庭。家乡辽宁岫岩县出产岫玉,同时还出产镁矿。靠着在矿山的工作,他的两个哥哥将他送出了农村,送入了北京航空学院(现北京航空航天大学,简称“北航”)。入学的那天,铺天盖地的欢迎标语和图波列、米高阳的宣传广告让张福泽一下就爱上了自己的专业(图波列、米高阳都是前苏联的著名飞机设计师)。他说:“北航为我们营造了非常浓烈的气氛,在那样的氛围中,你很难不爱上航空事业。而图波列和米高阳也是当时所有热爱航空事业的学生心中的偶像。”


    1962年,他从“北航”飞机设计专业毕业,分配到空军第一研究所(现为空军研究院航空所,简称航空某研究所),经过下连队当兵一年,在部队和飞机修理厂实习各一年,接着又到农村参加“四清”运动等近三年时间的基层锻炼,才回航空所第一研究室担任一名技术员。


    业界周知,飞机使用寿命有二大指标:一是疲劳寿命,二是日历寿命。疲劳寿命是指在重复载荷作用下能够飞行的小时数;日历寿命是指飞机在使用环境和使用条件下,能够完成使用功能的持续日历时间。合理确定飞机寿命指标,是保障飞行安全和充分发挥飞机经济效能的关键。对此,国际业界的专家、学者,围绕飞机寿命展开了长期的研究与探索。


    20世纪60年代末,我军装备的苏制乌米格-15和米格-15比斯飞机,有相当一部分已达到原定1700小时的总使用寿命,面临停飞的境况,严重影响了战备。当时国内金属疲劳学术研究刚刚起步,对于飞机疲劳寿命如何给出尚不得而知。1700小时真的是飞机的真实寿命吗?汽车到寿了,开动,不会有什么大的危险;若飞机到寿了,如果还往天上飞,后果就不堪设想,若没有到寿而停飞又会造成巨大浪费。对此,张福泽提出了疑问。于是,他做了一个大胆的决定——弄清楚飞机的寿命,减少国家的损失。当时,参加工作不久的张福泽应上级的命令,担起了乌米格-15飞机延寿课题组组长的重任。明知自己是学飞机设计专业的,对飞机定寿一无所知,他毅然接受了为飞机定寿这个难题。他琢磨着:飞机的使用寿命主要是通过疲劳试验来确定。发达国家给飞机定寿一般采用整机疲劳试验的办法,这需要昂贵的设备,耗资巨大,我们现在没有这个条件,能否通过做主要部件的疲劳试验来确定飞机的寿命,张福泽没有学过疲劳专业,对应该给哪些部件做疲劳试验和怎么试验更是一无所知。做疲劳试验的关键是载荷谱和试验设备,可在当时,用于疲劳试验的载荷谱和试验设备都没有,一切都得从头开始研究。在当时“文化大革命”期间,在科研生产无序混乱、没有外部支援的情况下,他毅然带领课题组成员,到飞行次数较多、飞行科目较全的飞行部队,在飞机上装上单向过载自记器,边学边测,苦战3年,终于编出我国第一个用于全尺寸结构的实测载荷谱。接着又全力以赴,夜以继日地奋战,克服了重重难关,自力更生地先后制成了两套疲劳试验设备,并制订出领先监控使用和工厂延寿修理等一整套飞机延寿、定寿工程的新路子。


    1976年和1980年,张福泽在经过10年的奋战之后,他们首次在我国给出了乌米格15和米格15比斯两个机群的延寿结论,将两个机群的总使用寿命分别延至3700飞行小时和3200飞行小时,相当于为军队新增千余架飞机。该课题1978年获全国科学大会奖,张福泽位列获奖名单第一人。该课题的成功不仅解了飞机停飞之困,为我国飞机定寿、延寿工程开拓了一条新的道路,给国家节约了巨大的支出,也让他从此与“疲劳”结下了不解之缘。


    持之以恒   科研路上创新前行

 

    科研取得成效的关键是什么?张福泽院士强调,靠创新与担当,靠勤奋、恒心与拼搏。


    在成功研制了我国第一台受力完全是自身平衡的闭环全尺寸飞机结构疲劳试验设备,并为中国空军两个大机群飞机各延长1倍的寿命之后,张福泽的科研历程中出现了一次转折:被调离了研究岗位。开始从事一些规范的撰写工作。整整五年,他离开了亲手创建的定寿、延寿小组。然后,他还是利用业余时间做了一些基础性的研究。而这些研究也为1986年以后的各大机群飞机定寿提供了指导作用。


    在飞机寿命和可靠性理论研究中,他独自发表疲劳寿命论文58篇和日历寿命论文21篇(合写论文没计)。取得了一批国内外同行专家公认的重要理论成果,有的被誉为是“里程碑”,有的被誉为“张氏载荷谱”,有的被誉为“张福泽疲劳分散系数理论曲线”、有的被誉为“张氏类比寿命计算模型”。这些理论成果不仅被我国飞机定寿和强度规范引用,而且被美国和一些国际学术刊物全文引用。


    1986-1995年,张福泽作为我国多系列大机群飞机定寿和延寿的技术组织者,在我国各系列大机群飞机定寿领域中,他首创了“系列飞机定寿法”,并以此方法为指导,从技术上主持完成了我国各系列飞机定寿和延寿的重大系统工程课题,解决了我国建国以来一直要解决而又没有解决的重大系统工程难题,保证了飞机的使用安全,产生数千架飞机的军事价值和经济价值,为我国大机群飞机定寿、延寿和飞行安全做出了历史性的重要贡献。该课题,在1995年获得了国家科技进步一等奖,他名列第一。


    再攀高峰   科研探索永无止境

 

    只有拼出来的美丽,没有等出来的辉煌,爱拼才会赢!这是张福泽院士坚信的科研信条。


    面对接连不断的荣誉,他并没有就此满足,依然继续坚守在科研阵地。1995年,张福泽当选为中国工程院院士,成为中国空军第一位院士,他没把这一荣誉当成终点,而是把它作为新的起点。此后,在国际飞机日历寿命研究中,他首创一种使用环境参数计算金属日历寿命新理论和确定的新方法,这是世界性的突破!将为世界各国在腐蚀领域减灾、灭灾给出了中国方案,为全球造福!


    飞机日历寿命常以日历年为单位来表示,这是在环境(如温度、湿度、化学、振动、冲击及其他介质)和使用条件(如使用应力、维护条件、储藏条件)下,能够完成使用功能的持续日历时间。它包括飞机结构组装完成后所经历的全部日历时间,其中有飞行间和地面停放时间(间歌性停放、维护、修理、存储等)。对此,世界科技界已研究了几百年,但由于金属腐蚀的影响因素太多、太复象,自1813年法拉第定律创立205年来,并没有找到一种有效的计算理论和试验方法给出飞机确定日历寿命。


    据他回忆,当时因飞机日历寿命在国际上不能可靠给出,导致多次摔飞机;世界各国飞机的疲劳寿命虽然已经有一套比较系统的定寿方法,但在日历寿命研究方面完全处于一片空白。当时部队的飞机正受到日历寿命的制约,并且是没有依据的制约。虽然飞机有日历使用年限要求,但并没有相应的日历寿命确定的试验方法和实施方法。靠经验确定,没有试验数据支持,无法验证,从理论上并未真正解决问题,因此必须从理论上突破。1996年,已到花甲之年、研究了一辈子疲劳寿命的他决心为攻克这一世界性的难题搏一回!


    步入第一年是跟踪学习,通过跟踪学习体会到,金属腐蚀研究从微观到宏观,已研究很深很透,但它无法给出真实环境下的可靠日历寿命。为了给飞机定日历寿命,从1996年-2016年间,张福泽院士在没有立项和时间保证的情况下,利用业余时间默默研究,经20年的曲折之路,终于研究出一套可用使用环境参数计算和试验给出金属材料日历寿命确定的理论体系。


    他发现了金属和涂层两种材料的4条腐蚀损伤规律曲线,为建立金属和涂层的新理论公式奠定基础;创立出金属机件腐蚀损伤日历寿命的理论公式和确定方法;创立出金属涂层的日历寿命理论计算公式;创立出机械(飞机)总日历寿命和各次翻修日历寿命的计算公式和确定方法;创立出金属试验日历寿命的计算公式和确定方法;研究出3维等损伤环境谱编制的新原理和方法:研究出飞机日历寿命的“区域定寿法”和飞机日历寿命可靠性处理方法。这是一套完整的机械(飞机)日历寿命确定体系。


    如今,人们可以利用他上述研究成果,用真实使用参数和介质,通过试验和计算给出机械(飞机)的日历寿命了!张福泽从1999年开始,陆续在《航空学报》、《科学前沿》和国际航空科学大会上,发表日历寿命方面论文21篇。一些技术成果申报了国家发明专利,现已获准的发明专利4项。上述研究成果,目前已在少部分飞机日历寿命确定中得到了应用,取得很好的效果。为了使这项国际上一直没有突破的创新成果,尽快在我国飞机日历寿命确定中得到应用,由中国航空学会出面,在全国各地区和相关单位举办“张福泽院士飞机日历寿命理论和方法培训班”取得了很好的效果和很高的评价。


    热切呼吁   全面重视日历寿命研究

 

    目前,我国正处于从“航空大国”向“航空强国”的跨越期,无论民航还是空军,对于飞机的使用寿命都提出了全新的要求,如何确定和延长飞机的使用寿命,让其既可以在寿命期内安全飞行,又不会因为过早的结束服役寿命而造成经济损失呢?张福泽院士已给出了详细的解读。张院士强调任何产品都有它的寿命期限,日历寿命的研究不仅局限于航空领域,他呼吁相关单位和人员都应关注和重视材料的日历寿命,以杜绝和减少不必要的灾难和损失。为什么腐蚀研究已经500多年,控制腐蚀每年都会投入大量的人力和财力,各种学术会议和学术论文如云似海,为什么每年在全世界还有这么多因腐蚀引发的重大事故和灾难呢?造成这么大的经济损失呢?这是值得全世界多方关注和解决的问题,更是学术界要突破的问题。张福泽院士从寿命角度提出一种减少或避免发生这种事故和灾难的技术途径。他认为,腐蚀事故和灾难在全世界频发,主要是因为材料在腐蚀环境下使用,其使用时间没有准确可靠的给出,使材料无寿命控制的使用,导致在使用中的腐蚀损伤值等于或超过材料的损伤容限值,从而引起材料在使用中开裂或爆炸,造成灾难性事故的发生。世界万物都是有寿命的,包括我们的地球,设备在无寿命控制的腐蚀环境下长期使用,必然出事故。


    在这方面,张福泽院士在搞飞机疲劳寿命研究中是深有体验的。他表示,我国在20世纪50-60年代生产的飞机都没有给出可靠的使用寿命,使飞机在无可靠使用寿命指标控制下飞行,结果在1972年和1974年,同一型号的两架飞机在飞行中机翼疲劳断裂,造成两起机毁人亡的重大事故。由此引起我国航空界上下一起行动,通过近20年的“疲劳战”,把我国多系列近万架飞机的疲劳寿命都搞出来,使每种飞机都有严格控制的疲劳寿命指标,飞机飞行时间不得超过规定的寿命指标。从此,我国凡经过疲劳定寿给出控制寿命指标的飞机,再也没有因疲劳摔过飞机。在全球航空领域,也曾因疲劳摔掉多架飞机都是这样给出控制疲劳寿命指标,限制飞行时间,从而制止因疲劳摔飞机。


    张院士认为,在疲劳领域,可通过给出疲劳寿命指标,控制使用时间达到飞机(机械)不疲劳破坏或少发生破坏,避免或减少灾难事故发生。在腐蚀领域,也可通过给出日历寿命指标,控制材料设备日历寿命,来达到材料(设备)不因腐蚀引起灾难性事故的发生。这可能是目前最有效的控制因腐蚀造成灾难事故有效的技术途径。


    张院士说,在腐蚀领域怎样给出可靠的日历寿命指标呢?这是个世界性的难题。早在1813年法拉第( Faraday)教授,基于电化学腐蚀原理,创立出著名的《法拉第定律》,想通过这个定律计算出金属腐蚀时间(日历寿命)。之后,各国腐蚀专家在这方面又进行了200多年的研究,但至今仍没找到一种工程可用的有效计算模型和确定方法。


    张院士强调,日历寿命是一个跨学科的研究领域,它是一个复杂的系统工程。完全靠腐蚀一个学科是很难解决的,它需要与疲劳、损伤力学、表面工程、材料、化学等多个学科综合交叉研究才可能解决。张院士认为,凡腐蚀损伤规律与本理论规律曲线一致的材料,不论它是在大气环境、土壤环境、海洋环境下使用还是在其它环境下使用,都可用本理论体系给出计算和试验的日历寿命,用此日历寿命指标来控制材料的使用时间就可减少或避免因腐蚀引起的灾难事故发生。


    张院士最后说:“我是搞飞机疲劳寿命的,仅从寿命的角度提出一种减少或控制因腐蚀造成灾难事故的技术途径。这仅供腐蚀领域同仁们参考,希望我们共同努力,尽快找出更有效的技术途径和方法,解决这个世界性难题,为全球解难造福。”


    后记

 

    新中国成立以来,中国的科技事业突飞猛进。“两弹一星”、高峡平湖、南水北调、高公高铁、航空航天伟大工程的成功实施,无可争议地表明了中国科技事业的巨大进步,这是无数科技工作者们血汗和智慧的结晶。山高路远,道阻且长。我们在传承前贤筚路蓝缕的创业勇气、魄力和为国家、人民舍身奋斗奉献精神的同时,仍须再接再厉,担当使命,开拓创新,为把我国建设成科技强国、屹立于世界而努力拼搏!


    人物简介

 

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    张福泽,辽宁岫岩人,1936年3月出生,1962年9月毕业于北京航空学院(现为北京航空航天大学)飞机系,同年10日入伍,历任空军某研究所技术员、工程师、高级工程师,空军首席专家,解放军总装备部科学技术委员会兼职委员、顾问等职。1995年当选为中国工程院院士,也是我国空军第一位院士。


    他先后荣获全国科学大会成果奖2项(排名第1和第4),国家科技进步一等奖1项(排名第1),军队科技进步一等奖4项(三项第1,一项第2)、二等奖4项(独自一人),国家发明专利5项。1990年被评为国家级有突出贡献的中青年专家,1992年评为全国12名“科技英才”人物之一,1996年分别荣获首届全军专业技术重大贡献奖和香港第三届何梁何利基金科学与技术进步奖,2003年获首届空军专业技术重大贡献奖。他先后受聘为空军工程大学教授,北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学兼职教授。是我国十余家航空工业公司和研究所,在飞机定寿方面的技术顾问及多个科技学会的理事。

标签: 张福泽, 航空安全, 飞机疲劳寿命

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