疲劳破坏：飞机安全的“杀手”

1949年，英国著名的航空大师哈维兰设计出了世界上第一种喷气式民用客机——“彗星”号，这种客机首次使用了4台大功率的喷气发动机，采用了诸多先进的新材料和新技术。这是一款当时最为先进的喷气式客机，它可在10千米的高度飞行，时速高达800千米，换句话说，乘坐这架飞机从英国伦敦飞到意大利罗马只需2个小时。因此，1952年，这种飞机一投入运营便立刻在全世界引起了轰动。然而好景不长，1953年5月，一架“彗星”号客机从印度加尔各答机场起飞后不久在半空中解体：次年1月，另一架“慧星”号在地中海上空爆炸；同年4月又一架“彗星”号在罗马起飞后在空中爆炸……据统让，从1953年5月至1954年4月，短短的11个月里，共有9架“彗星”号客机在空中解体；这9架飞机上的乘客无一生还，全部遇难。为了找到事故的原因，英国皇家航空研究院的工程师们进行了大量的调查取证，最终一致认定，“杀手”为机身、机翼等部位的疲劳破坏。

　　事实上，疲劳破坏导致的航空恶性事故并不只局限于“彗星”号。

　　1979年，一架美国的“DC-10”大型客机在芝加哥奥黑尔国际机场起飞不久就坠毁。

　　1985年8月，日航的一架5ALl23客机，由于后部压力隔板的开裂而坠毁。

　　2002年5月，台湾中华航空公司一架波音747客机在台湾海峡贬空突然解体，造成225人遇难。

　　事后的调查结果显示，上述的机毁人亡事故均是由飞机结构的疲劳破坏引起的。

　　

　　什么是疲劳破坏

　　

　　人会生老病死，飞机也并不能无期限地供人们使用，它也像我们脚下的自行车，腕上的手表一样，会因为疲劳损耗而走向“断裂死亡”。试想，现在我们手中有一根铁丝，若要把它一次性拉断或者是折断，对于一般人来说，往往是很难做到的。但是，如果我们把这根铁丝反复弯曲，尽管用的力气并不大，但弯曲若干次后铁丝就会断为两截，这就是疲劳破坏现象。可见，疲劳破坏是指在反复载荷(也称作“疲劳载荷”)作用下，结构中裂纹形成、扩展乃至断裂的过程。

　　疲劳载荷对结构造成的损伤往往是一点一点累积的，结构断裂前通常没有明显的预兆，具有隐蔽性和突发性；而引起疲劳破坏的载荷往往较小，不足以使结构一次性断裂。不过，在结构疲劳破坏发生后，其断口上常会遗留“凶手作案”的痕迹，即断口上可以清楚地观察到疲劳裂纹的“发源地”、裂纹扩展时留下的一道道条纹，以及最后的突然断裂区等部分。事实上，最后一点也是判定结构疲劳破坏的重要依据之一。

　　在服役期间，飞机不断重复着起飞、飞行与降落这一过程：而在每次起飞、飞行与降落过程中，飞机的结构都承受着各种各样反复作用的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括：跑道上颠簸的地面滑行载荷；飞行中大气紊流(乱流)引起的“突风载荷”；飞机作仰俯、偏航以及侧身等动作时的机动载荷；飞机着陆时的撞击载荷：气密座舱飞机舱内增压一卸压的所谓“地—空—地”循环载荷。这些载荷通常都比较小，不足以使飞机结构发生一次性断裂，但它们日复一日，年复一年地作用在飞机上， 飞机结构中的疲劳损伤便会在不知不觉中累积。一旦这种疲劳损伤累积到一定程度，飞机的结构就会开裂，从而发生破坏。

　　

　　棘手的疲劳问题

　　

　　疲劳研究是一门与材料和结构紧密相关的既古老又年轻的学科，自从“疲劳之父”维勒将疲劳纳入科学研究范畴至今，疲劳研究一直方兴未艾。到目前为止，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述仍未得到很好的解决。

　　疲劳的研究最初是由德国工程师阿伯特于1837年前后完成的。这是人类首次公开发表的疲劳研究结果，他研究的对象为矿山升降机链条的疲劳破坏。

　　在疲劳研究方面，最有影响力的要数疲劳理论的奠基人维勒。在1852～1869年期间，他先后开创地测试了火车轮轴的疲劳载荷；得出了载荷变化幅度对疲劳寿命影响最大的结论；探讨了有限疲劳寿命和无限疲劳寿命间的差别；提出了材料S-N曲线(一种用来描述低载荷、高寿命的材料疲劳性能曲线)的概念。

　　此后，以舒兹为代表的一批科学家在疲劳领域也作出了巨大贡献。他们认识到能承受很高静载荷的材料并不一定具有良好的疲劳性能；利用表面的残余压应力可改善材料的抗疲劳性能；提出了疲劳累积损伤假设，解答了材料中“疲劳损伤是如何累积的”这一问题；开展了裂纹扩展试验；提出了材料E-N曲线(与S-N曲线相对应，是一种用来描述高载荷、低寿命的材料疲劳性能曲线)的概念，至此，疲劳理论的研究框架基本形成。

　　1954年，“彗星”号飞机失事，导致了全世界范围内进行包括飞机全尺寸疲劳试验在内的大规模研究和试验计划。从此，疲劳研究进入了人发展时期。

　　自从1837年阿伯特首次报道疲劳研究成果至今，疲劳问题的研究已有百年的历史。在这100多年里，人们对材料疲劳破坏的认识不断加深；在进行结构设计时，也常常引入这样或那样的抗疲劳设计准则，然而，疲劳破坏现象在工业界仍屡见不鲜，防不胜防。据资料统计，现今有80％以上的机械零件的失效为疲劳破坏。这种疲劳破坏发生的对象可能是我们的自行车的链条、汽车的底盘、车间的机床、桥的橫梁，也可能是飞机甚至飞船。

　　

　　腐蚀——飞机疲劳破坏的帮凶

　　

　　飞机是大面积暴露在大气和气候环境中的交通工具，大气和气候环境通常会给飞机的结构带来不同程度的腐蚀。这些大气和气候因素包括：海洋性气候，即含有高浓度盐雾的海平面；大气污染，如酸雨等；雨、雪、雾天气；高温、高湿环境。此外，飞机跑道上的灰尘、积水，油箱内微生物的滋生，海洋性食物与化学物品等运载货物也会给飞机的相应部位带来一定的腐蚀问题。

　　腐蚀疲劳指金属结构受腐蚀介质和疲劳载荷的联合作用而引起的破坏现象。统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀或腐蚀疲劳有关。

　　由于具有重量轻、强度好等优越性能，高强度铝合金已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲劳寿命大大缩短。笔者近年来的一项实验表明，在2.5％的盐水中，铝合金材料的疲劳寿命会降低一半以上。

　　为什么腐蚀环境会加速铝合金结构疲劳裂纹的形成呢?目前普遍认为其机理包括以下4类中的至少一类：1．点腐蚀，即腐蚀介质会在材料表面形成腐蚀坑，腐蚀坑可使疲劳裂纹提前形成。2．局部变形(包括局部变形导致铝合金表面膜破裂)会使得结构局部腐蚀电位降低，从而加速金属的腐蚀。3．铝与腐蚀介质的电化学反应释放的氢使得材料变脆，即出现所谓的“氢脆”现象。4．环境介质的吸附作用使材料表面能降低，材料的这种表面能下降使得材料疲劳裂纹的萌生更加容易。

　　

　　不可忽视的声疲劳破坏

　　

　　飞机在使用过程中，发动机通常会发出130～160分贝的噪声。这种高频的噪声不仅可使人们听力下降，心情烦躁，而且严重时还会给处于声场中的飞机结构带来破坏，即产生所谓的声疲劳。事实上，现代飞机的噪声源除了发动机外，还包括飞机的辅助动力装置、航炮或火箭发射，以及机体附面层气流起伏引起的飞行器结构振动等，这些噪声源以压力波的形式带动周围的空气振动，山近及远，将声波向四周传播，当声波遇到飞机结构时，便会在结构上形成声压。

　　尽管声疲劳引起的结构破坏一股只发生在发动机等高噪声源附近，具有一定的局限性，但从结构安全角度来讲，它仍是一个不容忽视的问题。事实上，声疲劳同其他由于随机载荷而产生的疲劳破坏没有本质上的区别。它同样可以使飞机的薄板结构因声致振动而产生破坏；或引起铆钉松动、断裂、甚至飞掉；有时还会引起蒙皮撕裂。这些故障都会影响飞机结构的完整性与安全性。为此，美国联邦航空条例FAR－25部(运输类飞机适航标准)专门对飞机的声疲劳问题作了规定；美国军用规范MIL-A-8893中也针对声疲劳作了相应的细则要求，并将其强制作为军用飞机的设计和制造标准。

　　实践表明，要提高飞机结构的疲劳寿命，须从材料、设计、工艺、维修等方面同时入手。

　　

　　[责任编辑]　赵　菲