【航空紧固连接专题3】

eVTOL(ElectricVerticalTake-offandLanding)电动垂直起降飞行器，是一种新型的空中交通工具，可以在城市中实现点对点的运输。eVTOL的优势是不需要跑道，可以在任何平坦的地面起降，而且比传统的直升机更安静、更节能、更环保。eVTOL的应用场景包括城市空中出行、紧急救援、物流配送等，大家所理解的“飞行汽车”，可简单归类为各类eVTOL飞行器中的一种。eVTOL的技术挑战主要有以下几个方面：能量密度、电机功率、控制系统、机械系统、法规政策。eVTOL的发展前景是充满机遇和挑战的，它有可能在未来几年重塑城市交通，并改变我们对飞机设计的传统看法。目前，全球已有260多个eVTOL的项目在进行中，其中一些已经成功上市或获得融资。预计到今年（2024年），eVTOL将开始在一些特定的场景中投入商业运营，如紧急救援等。到2040年，eVTOL的市场规模有望达到1.5万亿美元。紧固连接技术，简单来说就是以保证预期连接性能、提升装备可靠性为目的，基于力学、材料学、摩擦学等理论，研究服役工况下紧固件、被连接件等在设计选型、制造、安装、服役运维等环节的相互作用的由于对紧固连接结构的认知不足以及相关人才的匮乏，绝大部分高端装备行业的结构设计部门并没有专门针对紧固连接结构的科室或团队。当遇到紧固连接相关的高级需求时，通常需要以项目形式外包到学校或科研院所，或由内部非紧固连接专业人员采用相对粗放的仿真、试验手段解决问题。紧固连接研究是一项高度专业化的研究内容，涉及高强度螺栓连接系统设计理论、复杂轮廓的精确有限元建模方法、摩擦学与动力学相关知识等，非科班出身的工程技术人员往往对这些理论、方法、知识体系了解不足，可能导致结构的强度、稳定性和可靠性存疑。航空设备的安全性，从波音事故谈起2024年1月5日，美国阿拉斯加航空公司航班号为1282的波音737MAX9型客机当天从俄勒冈州的波特兰飞往加利福尼亚州的安大略，起飞后不久在空中发生事故。机上载有171名乘客和6名机组人员。执飞本航班的飞机于2023年11月获得认证，机龄仅为0.3年，运营145个航班，注册编号N704AL。具体事故为：飞机后应急逃生舱门固定螺栓松动，导致舱门在飞行途中掉落，机舱失压。后续美联航检修同型号客机，发现超过10架存在螺栓松动问题，近400架次航班取消。富国银行发表的报告将此次事件归咎于“波音737Max9存在严重质量问题”。针对此次事件，我们需要提出以下问题：1.紧固连接结构设计是否可靠？2.设计可靠，紧固件产品是否合格？3.设计可靠、产品合格，装配技术是否合理？4.设计可靠、产品合格、装配合理，运维环节是否可靠？是波音的质量管理问题，还是紧固连接行业问题？诚然，波音多家飞机被检查出螺栓松动，波音公司的质量管理水平绝对无法脱开关系。但波音事故、深圳欢乐谷过山车事故、各个车企因螺栓连接的大规模召回事件，均表明类似事件并非个例。据统计，每年因紧固连接松动、断裂问题导致的直接经济损失达数十亿美元以上。上述事件的发生，是现今紧固连接行业现状导致的：设计校核标准落后、设计人员认知不足、装配人员水准低、专业教育资源匮乏，导致了连接系统的可靠性难以把控，整体装备存在安全隐患。1.设计校核标准落后。针对螺栓连接系统设计校核的研究，国内研究进度明显落后，目前国内无成熟可使用的螺栓设计选型标准。国外的螺栓连接结构设计校核手册主要有VDI2230、DIN25201、《BAC5009M螺栓和螺母的安装》、《SAE1471A-2000》、NASANSTS08307《预紧力螺栓设计准则》、《OCT100017-1989》标准和JISB1083《螺栓紧固件紧固通则》等标准。在部分航空设计单位内，甚至仍然在沿用前苏联的设计方法。当然，国外这些设计校核手册虽然多，但其内容相比科学前沿研究仍有数十年差距，其核心仍然是为了满足快速手工计算需求，大量采用经验公式，大幅简化计算。2.设计人员认知不足。经过对众多行业的走访调研，我们发现，由于螺栓过于普遍、过于常见、应用过于广泛，导致航空航天、桥梁等行业的结构设计环节对连接系统设计的重视程度与认知不足。相当一部分结构强度从业人员甚至连基础的螺纹力学都不了解，在进行连接结构设计与螺栓选型时方法相当粗糙。3.装配人员水准低。即使在民航客机等高端装备的装配环节，仍然以人工紧固为主，工人的整体素质、装配水准不高，再加上螺栓预紧力的生成对摩擦系数、螺纹粗糙度等外部因素敏感，导致紧固连接系统的预紧力分散性较大，连接可靠性受到严重影响，无法满足高端装备的安全需求。4.专业教育资源匮乏。被称作“工业之米”的螺栓，在全国范围内没有任何一家高等院校设立专门的专业、开设相关课程，仅仅在《机械设计》教材中用几页篇幅做了简短的介绍。这导致国内紧固连接领域人才储备不足，设计人员、装配人员技术能力不足。最后，我们可以回答标题中提出的问题：在飞行汽车(eVTOL)产业中，紧固连接技术是否重要？从安全角度考虑，eVTOL产业中，紧固连接技术显然非常重要。并且，我们认为：eVTOL对紧固连接系统的稳定性需求，要高于传统航空飞机。可能许多读者非常不认同此观点。对于此，我们将在本专题下一节内容【航空紧固连接专题3】中作出详细解释。来源：昊宇睿联