书城传记中国航空工业人物传·专家篇
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第36章 管德 气动弹性专家

管德(1932.7—),北京人,气动弹性专家,中国工程院院士。1949—1952年在清华大学航空工程系学习。1952—1956年在第二机械工业部航空工业局任局刊编辑、编辑组长,指令检查室主任。1956—1962年,在沈阳飞机厂任飞机设计室设计员、空气动力组副组长。1962—1985年,任国防部第六研究院(后改为第三机械工业部第六研究院)第一研究所任总体和空气动力室主任,副总设计师、副所长,沈阳飞机工业公司总工程师。1985年任航空工业部科学技术局局长、部总工程师、部科学技术委员会主任、中国航空研究院院长。1985年底调中国民用航空局任副局长(后兼局党委副书记)。1993—2003年,任全国政协第八、第九届委员。1994年任中国工程院筹备委员会委员。从1986年开始兼任北京航空航天大学教授、博士生导师,同时兼任南京航空航天大学教授。1994年当选中国工程院院士。

1956年12月,管德调到沈阳飞机厂飞机设计室。他到飞机设计室的第一件工作,是计算歼教l飞机的外形数据,后转入气动弹性力学专业。以前,中国虽然设计过飞机,但飞行速度很低,用不着气动弹性专业。在收集国外资料后,管德提出用斯奥多森方法(非定常理论)、英国的经典方法(非定常空气动力系数不随减缩频率变化)、苏联的格罗斯曼方法(忽略运动加速度、运动速度和位移用定常方法计算)计算。计算得到的颤振速度虽然有明显的出入,但总归是中国人自己第一次算出了颤振速度。

当时,计算条件比较困难,设计室只有2台电动计算机,其余都是手摇计算机。在这种条件下,计算有限翼展机翼的颤振速度,难度可想而知。在歼教1飞机试制时,一架用于试飞,另一架做强度试验和地面共振试验。地面共振试验属于气动弹性专业范围,但当时只有机械式激振器,没有电磁传感器,所以只能按苏联专家的意见,用光学方法测量振幅。这样的试验结果,当然无法用于颤振计算。

1961年,国防部第六研究院第一研究所成立,管德任气动弹性组组长,后任空气动力室副主任兼气动弹性组组长。1963年,管德被聘为国防科学技术委员会第16专业组理论分组成员。

1964年,歼8飞机开始研制。管德主持了歼8飞机研制中的气动弹性专业工作,采用了多种国内首次进行的工作。歼8飞机开始研制时,国内还没有有限元方法。所以,只能按苏联提供的计算米格-21的方法,把起落架舱的前面、后面和外侧分别简化成了单梁。

歼8飞机的机翼设计中,采用了多种优化方法。把机翼蒙皮分区,相应的梁分段,构成设计变量。用的优化方法包括:每个设计变量的颤振速度对质量的导数为常数的方法;有约束的数学规划法,包括用最陡上升方向,以最小的变量变化求得尽可能大的颤振速度,以及最佳矢量方法,在总重量不变的条件下,求得最高的颤振速度。机翼的优化设计中只用了尺寸变量,简化了优化过程。

歼8飞机的垂尾优化设计中,还用了拓朴变量(垂尾面积、展弦比、前缘后掠角、翼根蒙皮厚度、翼尖蒙皮厚度)。歼8飞机的平尾设计,考虑了翼面刚度和操纵系统刚度、驱动器刚度和驱动器支持刚度,并且还考虑了结构非线性(系统间隙)的影响,分别在频率域和时间域考虑了系统刚度和初始条件的影响。

歼8飞机设计中,在国内首先使用三维的非定常空气动力计算。计算中使用了国外刚刚推出的核函数法和偶极子网格法,并在不同参数条件下通过风洞试验验证了计算的可靠性。

歼8机翼上挂有多种外挂物。开始时假定外挂物和悬挂装置都是刚体,结果不对。后来考虑了外挂物和悬挂装置的变形,解决了问题。为了确定弹性飞机飞行力学特性是否符合要求,需要使用弹性飞机的操纵安定性导数。这些导数只能用风洞试验结果,但是当时没有条件对全机弹性模型进行风洞试验,管德提出用计算的弹性、刚体比,对风洞试验结果进行修正的方法。

歼8飞机研制中,进行了多种风洞试验。对机翼,把蒙皮刚度分到邻近的梁和肋上,形成了准结构相似模型的跨声速风洞试验;用半模型得到了机身平尾组合对称状态的跨声速风洞试验,用弹性机翼模型进行的跨声速风洞测压试验,以及方向舵嗡鸣试验、低速风洞抖振试验等。

歼8飞机的飞行颤振试验也是国内第一次进行的。由于使用的传感器频率范围不对,测到的都是高频噪声,无法应用。管德改用测量飞机静安定性的传感器信号,得出了可用的结果,完成了飞行颤振试验。

1979—1981年,管德主持研制了“航空结构动力分析系统HAJIF-Ⅱ”。它可以进行结构的固有动力特性(固有频率、振型)的计算,以及带主动控制系统的飞机颤振和突风响应计算。管德提出了这个系统的总力学任务书,来自5个研究所的人员参加了工作。系统中设计了31条固定流程,以适应不同的计算需求。

“文化大革命”中的大部分时间,管德以被监督劳动的身份,做歼8飞机的气动弹性工作。1975年,管德任国防部第六研究院第一研究所总体和空气动力室主任;1978年,任该所副总设计师、党委常委;1980年任副所长。他支持“歼8大改”的方案,取得了上级支持,这就是后来的歼8Ⅱ飞机。

1982年,管德调任沈阳飞机工业公司总工程师、副总经理,分管厂所协调工作。通过他与厂所领导和职工的共同努力,使厂所关系空前好转。1983年,他兼任歼8Ⅱ飞机研制现场总指挥、试飞领导小组组长。按照系统工程方法,组织了设计和试制生产准备、试制生产准备和试制生产、试制生产和首飞准备的平行作业,使歼8Ⅱ飞机首飞大大提前,荣立航空工业部新机首飞一等功。

1985年,管德任航空工业部科学技术局局长,后任航空工业部总工程师、科学技术委员会主任、航空研究院院长。同年,歼8飞机获国家科技进步特等奖,管德是主要设计者之一。

1985年底,管德调任中国民用航空局副局长,后兼任党委副书记。他采用系统工程方法,实行矩阵管理,改进计划工作,使一些原来薄弱的系统得到加强。他组织定期的经济活动分析,改进分析方法,深入分析吨千米成本,促进了全行业经济效益的提高。

管德是我国气动弹性专业的奠基者和带头人,是航空气动力协作攻关办公室气动弹性组组长。从“七五”开始,一直承担航空预先研究中气动弹性力学领域的组织工作。曾主持建立了我国第一套可用于超声速飞机设计的气动弹性计算和试验方法,总结为《高速歼击机的气动弹性分析》,荣获1978年全国科学大会奖。《航空结构动力分析系统》获国家科技进步二等奖。他对歼8的研制做出了重要贡献,荣获国家科技进步特等奖、航空工业部新机首飞一等功。

管德兼任北京航空航天大学教授、博士生导师。从1986年起,他在国内最早完成了复合材料翼面的气动弹性剪裁,翼面结构和主动控制系统的综合优化设计,副油箱中燃油惯性的工程处理方法。他还进行了压电智能材料的应用研究,使用薄的压电陶瓷片作为驱动器。使用各向同性的压电驱动器,配上适当的控制系统,提高颤振速度,并且进行了风洞试验验证。使用压电陶瓷条,贴在翼面上,进行各向异向驱动,并且观察了对气动弹性特性的影响。推导出压电纤维复合材料的本构方程,计算出复合材料的变形量,同时也用热应力的算法进行计算,两者结果比较一致。另外还研究了纤维方向对气动弹性特性的影响。

他同17个单位的人员一起完成了《飞机气动弹性力学手册》的编写。写作出版了《非定常空气动力学》、《气动弹性试验》。

管德是全国政协第八、第九届委员,中国科学技术协会全国委员会委员,中国民用航空协会第一届会长,中国航空学会第四、第五、第六届副理事长。

管德1994年当选中国工程院院士。