讓裂紋自行報(bào)警

馬楠

飛機(jī)的出現(xiàn)是人類社會(huì)文明進(jìn)步的象征，發(fā)動(dòng)機(jī)是保證飛機(jī)安全可靠的關(guān)鍵。發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境嚴(yán)苛，其葉片不可避免地會(huì)發(fā)生斷裂失效。一片葉片斷裂失效，會(huì)使周圍大量葉片被打傷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故。據(jù)分析表明，近年來飛機(jī)飛行故障與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂失效相關(guān)的占60%以上。科研人員對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效分析的研究工作多是在出現(xiàn)故障以后，進(jìn)行失效模式的判斷、失效原因的分析，將意見措施反饋給設(shè)計(jì)、加工、制造、組裝等環(huán)節(jié)。這些工作對(duì)葉片在保證性能基礎(chǔ)上實(shí)施可靠性工程意義重大，但卻不能有效避免飛行故障的發(fā)生。

葉片斷裂后，科研人員采取失效分析，葉片的設(shè)計(jì)制造也在積極改進(jìn)，但即使葉片的設(shè)計(jì)制造水平再高，也不能完全保證葉片在服役期內(nèi)不發(fā)生斷裂失效，因?yàn)閿嗔驯旧硎且粋€(gè)概率問題。只靠事先預(yù)防和事后總結(jié)無法解決問題，那么我們?cè)谌~片的服役過程中可以做什么呢？按照這個(gè)思路，我們可以在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片服役過程中應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。如果我們能知道任意時(shí)刻葉片裂紋的擴(kuò)展情況，當(dāng)裂紋萌生擴(kuò)展到一個(gè)臨界值（可能引起斷裂）時(shí)，便能提前更換葉片或葉盤，從而避免葉片的斷裂失效。

可以設(shè)想在葉片材料可能斷裂失效部位預(yù)埋一些磁性線體，葉片周圍有閉合的導(dǎo)電回路。根據(jù)電磁感應(yīng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生電流。葉片出現(xiàn)裂紋后，線體便會(huì)斷裂，其磁場(chǎng)便會(huì)發(fā)生變化，回路中電流也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)電流變化與裂紋長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定葉片的損傷狀況。我們還可以設(shè)想在葉片表面上布設(shè)光導(dǎo)纖維，經(jīng)過渦輪軸傳導(dǎo)來收集信號(hào)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控葉片在服役時(shí)的應(yīng)力變化。由于葉片不是一個(gè)點(diǎn)，為了獲得葉片比較完整的應(yīng)變場(chǎng)信息，應(yīng)采用分布式調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)葉片機(jī)械載荷過大或萌生裂紋導(dǎo)致光纖斷裂時(shí)，傳感器信號(hào)中斷，便可以對(duì)響應(yīng)葉片提前采取措施。

但是具體到實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)卻是極其困難的，這涉及發(fā)動(dòng)機(jī)制造、材料、力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等大量相關(guān)學(xué)科。首先，在金屬材料中預(yù)埋光纖或磁性線體的設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度極大。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣，已接近其使用性能的極限，預(yù)埋任何物質(zhì)都將會(huì)改變金屬材料組織，影響各項(xiàng)性能，可能導(dǎo)致其在復(fù)雜環(huán)境中無法服役。最后，由于涉及金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，對(duì)傳感器的敏感度要求很高，信號(hào)的收集比較困難。不過，美國(guó)洛克希德·馬丁公司已將Bragg光柵光纖傳感網(wǎng)絡(luò)用于X-33航天飛機(jī)箱體構(gòu)件的應(yīng)力和溫度的準(zhǔn)分布監(jiān)測(cè)；人們對(duì)一些重要建筑的裂紋擴(kuò)展也已經(jīng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些雖說都是復(fù)合材料的例子，但仍給該想法帶來一絲曙光，激勵(lì)我們朝著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方向努力。

如果將該思路從發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)一步推廣到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上，那么飛機(jī)飛行故障發(fā)生率就會(huì)大幅下降，失效分析這門學(xué)科的重要性也將大幅提升。我們現(xiàn)在要做、也能做的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研制過程中利用先進(jìn)的失效分析技術(shù)對(duì)關(guān)鍵材料、關(guān)鍵件的內(nèi)部損傷、損傷演化行為、失效機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)防等方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

責(zé)任編輯：王鑫邦