飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想變遷（三）

飛機(jī)設(shè)計(jì)史上很多的技術(shù)進(jìn)步以及設(shè)計(jì)理念的演變都來源于飛行事故的教訓(xùn)和啟發(fā)，盡管飛行事故是我們所不愿意看到的。但是我們不得不承認(rèn)，即使是航空業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，人類對(duì)于飛行依然是處于不斷探索的階段。關(guān)鍵在于我們可以從這些大大小小的飛行事故中發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)出癥結(jié)所在并想方設(shè)法去解決它。

如今，乘坐噴氣式客機(jī)出行已經(jīng)是大眾出行的一種常見方式，但是在二戰(zhàn)后期以及其后的20世紀(jì)40、50年代，這還是一件稀罕事。上期文章中提到，在1949年7月27日，世界上第一架噴氣式客機(jī)——“彗星（Comet）”號(hào)原型機(jī)進(jìn)行了首次飛行。它采用了當(dāng)時(shí)的新技術(shù)和新材料，在飛行速度、舒適性、載客人數(shù)等方面都代表了當(dāng)時(shí)大型噴氣式客機(jī)的最先進(jìn)水平。這種由英國德·哈維蘭（de Havilland）公司研制的民航客機(jī)是世界上第一種以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的民用飛機(jī)，這在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是革命性的。它裝有4臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，后掠式機(jī)翼，速度可達(dá)788千米/小時(shí)。機(jī)體為全金屬半硬殼結(jié)構(gòu)，采用密封機(jī)艙，在萬米高空飛行時(shí)有著前所未有的平穩(wěn)性和舒適性。“彗星”的速度優(yōu)勢也是當(dāng)時(shí)任何使用螺旋槳式客機(jī)無法相比的（使用螺旋槳式發(fā)動(dòng)機(jī)的DC-7客機(jī)巡航速度653千米/小時(shí)），從倫敦飛到羅馬只需2小時(shí)?！板缧恰钡某霈F(xiàn)，使英國成為當(dāng)時(shí)航空界的翹楚。1952年5月2日，當(dāng)“彗星”Ⅰ型客機(jī)投入從英國倫敦飛往南非約翰內(nèi)斯堡的航班服務(wù)時(shí)，全世界轟動(dòng)了。這種高速客機(jī)令飛行成為一種奢華的享受。1952年5月，英國海外航空公司的9架“彗星”Ⅰ型客機(jī)投入航線運(yùn)營，標(biāo)志著民用航空噴氣式時(shí)代的到來。

然而，之后在“彗星”客機(jī)身上發(fā)生的多起惡性事故，斷送了“彗星”客機(jī)和德.哈維蘭公司的前途，也促使人們?nèi)パ芯亢娇战Y(jié)構(gòu)的金屬疲勞現(xiàn)象，乃至形成安全壽命設(shè)計(jì)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。

1953年至1954年期間，“彗星”Ⅰ型客機(jī)接連發(fā)生墜毀事故，導(dǎo)致“彗星”客機(jī)停飛。繼“彗星”客機(jī)的投入運(yùn)營引發(fā)轟動(dòng)之后，它的空難再一次轟動(dòng)了全世界。1954年1月10日，一架英國海外航空公司（BOAC）的“彗星”Ⅰ型客機(jī)（航班編號(hào)781號(hào)）從意大利羅馬起飛飛往目的地英國倫敦。起飛后26分鐘，飛機(jī)空中解體，后墜入地中海。機(jī)上所有乘客和機(jī)組人員全部遇難。“彗星”停飛兩個(gè)月后，由英國海外航空公司總裁保證不會(huì)出事才恢復(fù)飛行。然而時(shí)隔不久，1954年4月8號(hào)，另一架從羅馬飛往開羅的“彗星”Ⅰ型客機(jī)也發(fā)生了同樣的空中解體事故。在不到一年的時(shí)間里，有3架彗星客機(jī)在空中解體墜毀。人們對(duì)此議論紛紛，究竟是因?yàn)閲姎馐斤w機(jī)飛得大快了，不適合作為民航客機(jī)使用；還是因?yàn)閲姎馐娇蜋C(jī)飛得太高了，被氣流沖擊損壞；又或者是“彗星”客機(jī)本身設(shè)計(jì)就有問題？后來調(diào)查研究顯示，由于“彗星”使用了增壓座艙，對(duì)客艙的加壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，長時(shí)間飛行以及頻繁起降使機(jī)體反復(fù)承受增壓和減壓的交變應(yīng)力而引發(fā)金屬疲勞是發(fā)生“彗星”Ⅰ型客機(jī)解體墜毀事故的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因發(fā)生事故而損壞的“彗星”客機(jī)中多數(shù)是因金屬疲勞以及設(shè)計(jì)方面缺陷造成的。

我們都知道，在人長時(shí)間工作得不到休息或者因?yàn)樯【蜁?huì)感覺到疲勞。通俗的說，就是“我累了”！那么，“金屬疲勞”是怎么一回事呢？

世界上第一臺(tái)蒸汽機(jī)車要比萊特兄弟的“飛行者一號(hào)”早出現(xiàn)將近一百年，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)呐d起和發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)機(jī)車的車軸常常發(fā)生損壞，而這些車軸明明是符合設(shè)計(jì)要求的。但是在滿足靜強(qiáng)度要求的條件下，經(jīng)過一段時(shí)間使用的車軸依然會(huì)發(fā)生斷裂。原來機(jī)車的車軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中承受著周期性變化的彎曲應(yīng)力，這種周期性變化的應(yīng)力稱為“交變應(yīng)力”。在對(duì)交變應(yīng)力作用下的車軸進(jìn)行觀察分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)車軸所能承受的交變應(yīng)力的大小比其能承受的靜應(yīng)力要小得多，而這種在交變應(yīng)力作用下發(fā)生失效破壞的現(xiàn)象就叫做“疲勞破壞”。

疲勞破壞的危險(xiǎn)要比普通的超重超載所帶來的破壞更加嚴(yán)重，因?yàn)槲覀冊(cè)谶M(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)非常重視飛機(jī)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的受力狀況和變形情況，不但要通過詳細(xì)的計(jì)算使得其應(yīng)力應(yīng)變水平低于材料的許用應(yīng)力和最大形變要求，還要在樣機(jī)制造出來之后進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)出來的飛機(jī)是否滿足實(shí)際使用的要求。但是結(jié)構(gòu)所能夠承受的交變應(yīng)力卻往往要比其所能承受的靜應(yīng)力要小得多，就好像一個(gè)結(jié)構(gòu)在100Mpa的靜應(yīng)力加載條件下不會(huì)發(fā)生破壞，但是在應(yīng)力幅為20Mpa的交變載荷加載下卻會(huì)發(fā)生斷裂。有一個(gè)經(jīng)常發(fā)生在我們身邊的例子可以很直觀的說明這個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)我們想弄斷一根鐵絲而手邊沒有合適工具的時(shí)候，我們一般不會(huì)用蠻力直接將其拉斷，因?yàn)槟菢油M(fèi)盡九牛二虎之力卻難以奏效。我們往往會(huì)在將其截?cái)嗟奈恢猛鶑?fù)彎折。這樣不但不費(fèi)太大的力氣，還能有效地折斷鐵絲。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中也不斷承受著交變載荷。從總體上看，飛機(jī)每次飛行都經(jīng)歷著從起飛到著陸的周期性交變載荷作用的過程，在每次從起飛到著陸這樣大的周期內(nèi)，還包含著許許多多小的交變載荷，這就帶來了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題。其實(shí)在1954年“彗星”Ⅰ型客機(jī)接連三次機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故引起世界范圍極大重視之前，就已經(jīng)發(fā)生過很多由于結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞而引發(fā)的事故。第二次世界大戰(zhàn)前后，約有20架英國“惠靈頓”重型轟炸機(jī)發(fā)生疲勞破壞；1952年，美國多架F-86“佩刀”戰(zhàn)斗機(jī)因?yàn)闄C(jī)翼主接頭發(fā)生疲勞破壞而連續(xù)發(fā)生事故。在民機(jī)方面，由于服役期限長，正常使用時(shí)的應(yīng)力水平又與設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力水平接近，情況就更為嚴(yán)重。1948年美國“馬丁202”型運(yùn)輸機(jī)失事；1951年英國“鴿”式飛機(jī)因翼梁破壞在澳大利亞失事；1953年英國“維金”號(hào)飛機(jī)也因主翼梁破壞在非洲失事?？梢娫诋?dāng)時(shí)，人們還未能意識(shí)到疲勞破壞對(duì)于航空器飛行安全的巨大危害。

早期設(shè)計(jì)的飛機(jī)的疲勞問題并不突出，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)只考慮了強(qiáng)度剛度要求，但是受限于較低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，留出了較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，安全系數(shù)較高，使得飛機(jī)在使用中的應(yīng)力水平甚至低于按現(xiàn)代考慮了疲勞問題而給出的許用應(yīng)力。這樣，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題就被掩蓋起來了。然而當(dāng)航空技術(shù)飛速發(fā)展，為了使飛機(jī)能夠達(dá)到更大的速度高度以及更加良好的飛行性能時(shí)，就要求結(jié)構(gòu)的重量要盡量輕。隨著靜強(qiáng)度計(jì)算得越來越精確、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平越來越高、實(shí)驗(yàn)技術(shù)越來越先進(jìn)，飛機(jī)靜強(qiáng)度的“儲(chǔ)備”就留得越來越少，疲勞問題就暴露了出來，導(dǎo)致很多靜強(qiáng)度合格但未考慮疲勞問題的飛機(jī)發(fā)生了嚴(yán)重的疲勞破壞事故。這里說句題外話，從這個(gè)事情中我們也能夠看到任何事物都是具有兩面性的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提高帶來了飛機(jī)性能的提高，但也暴露出了以前沒有出現(xiàn)的安全問題。開個(gè)玩笑來說，就是“算不準(zhǔn)”的飛機(jī)沒出問題，“算得準(zhǔn)”反而出事了！聯(lián)想到我國近些年不斷出現(xiàn)的由于超載而引起的路面開裂、橋梁垮塌事故，某種程度上也是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)候“算得太準(zhǔn)了”，設(shè)計(jì)應(yīng)力水平和實(shí)際應(yīng)力水平接近，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重超載大大超出設(shè)計(jì)承重，就會(huì)出現(xiàn)問題。而那些更早時(shí)候設(shè)計(jì)的橋梁因?yàn)榱舫龅脑O(shè)計(jì)冗余大，反而不容易出事故。當(dāng)然，豆腐渣工程就另當(dāng)別論了。

在這些由疲勞問題導(dǎo)致的事故發(fā)生以后，大量的分析和研究表明，只按靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)并不能保障飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全。飛機(jī)飛行速度的提高、高強(qiáng)度材料的使用、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析水平的提高都使得疲勞問題日益突出，由此提出了安全壽命設(shè)計(jì)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為Ne≤Ns＝Nex／Nf。其中Ne為飛機(jī)的實(shí)際使用壽命，Ns為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全壽命，Nex為結(jié)構(gòu)的疲勞是驗(yàn)收壽命，Nf為疲勞分散系數(shù)。

除了危險(xiǎn)的交變載荷外，早期飛機(jī)未能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮疲勞問題，在設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)開口，如舷窗、艙門等設(shè)施的時(shí)候，往往設(shè)計(jì)成方形等轉(zhuǎn)角較為尖銳的形狀，沒有采取倒圓角或者橢圓形開口等方法，造成應(yīng)力集中。這樣，結(jié)構(gòu)在交變載荷下會(huì)更加容易出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致產(chǎn)生破壞，“彗星”客機(jī)的災(zāi)難性事故就與此有關(guān)。（未完待續(xù)）