空難事故中的力學(xué)問題

錢天川

摘 要：空難事故往往是災(zāi)難性的，會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。對航空史上的空難事故原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)人為因素和非人為因素都可能導(dǎo)致空難事故;對空難事故中引起飛機(jī)破壞本質(zhì)的力學(xué)問題進(jìn)行探究，指出靜力、沖擊、疲勞破壞是主要的原因;本文結(jié)合空難中的力學(xué)問題，對飛機(jī)設(shè)計思想的發(fā)展過程進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：空難;空難原因;疲勞破壞;飛機(jī)設(shè)計思想

中圖分類號：V211.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0229-02

0 引言

古巴當(dāng)?shù)貢r間2018年5月18日，一架古巴航空公司的波音737-200型客機(jī)從哈瓦那的何塞·馬蒂國際機(jī)場起飛后墜毀，當(dāng)時飛機(jī)上有105名乘客和9名機(jī)組人員共計114人，此次空難事故最后造成了111人遇難。失事飛機(jī)的兩支“黑匣子”均已找到，而飛機(jī)主要的結(jié)構(gòu)和部件都被收集并運到安全的地方進(jìn)行調(diào)查，以確定事故原因。古巴空難事故是最近的一次世界航空史上傷亡慘重的大事故。而最早的一次空難事故，可以追溯到百年以前。1908年10月17日，奧維爾·萊特駕駛自己設(shè)計制造的飛機(jī)在弗吉尼亞的邁爾堡進(jìn)行第三次飛行時發(fā)生意外，隨機(jī)搭載的陸軍中尉托馬斯·賽普里金成為第一位死于空難的人。

自1903年12月，萊特兄弟制造的飛機(jī)成功首飛拉開世界航空史的序幕之后，110多年的歷史中，大大小小的空難事故一直伴隨著航空業(yè)的發(fā)展。而空難事故背后的原因調(diào)查以及針對事故原因的不斷改進(jìn)的設(shè)計方法和制造技術(shù)，也是推動航空業(yè)發(fā)展的重要原因之一。論文將主要針對空難事故，分析引發(fā)空難的多個原因，然后在此基礎(chǔ)上總結(jié)空難事故中主要的涉及力學(xué)方面的問題，并對飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展進(jìn)行探討。

1 空難原因分析

空難，是指各種載人航空飛行器在起飛、飛行或降落過程中，由于人為因素或不可抗拒的原因?qū)е碌臑?zāi)難性損失。盡管飛機(jī)的安全系數(shù)比汽車高，相比于每年死于道路交通事故的百萬余人來講，乘坐飛機(jī)也許是更安全的交通方式，然而，一旦發(fā)生空難，通常情況下幸存者將寥寥無幾，損失慘重。

總部設(shè)在日內(nèi)瓦的空難檔案局每年初都會對前一年的空難事故進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，空難死亡人數(shù)最高的年份是1972年，達(dá)到了3346人。而2014年盡管空難事故相對不多，然而一系列大的空難事故使得2014年成了航空災(zāi)難年，主要包括：馬航MH370航班神秘失蹤，共有227名乘客遇難;馬航MH17航班在烏克蘭東部沖突地區(qū)被導(dǎo)彈擊落，共298人全部遇難;亞航QZ8501航班失聯(lián)，遇難人數(shù)162人，等等。針對眾多空難事故的調(diào)查分析表明，引起空難的原因很多，主要分為人為因素以及非人為因素兩大類。

1.1 人為因素所引起的空難

據(jù)美國空難數(shù)據(jù)網(wǎng)顯示，從1950年到2010年全球已得出確切事故原因的上千次空難中，人為因素在事故原因中超過五成。人為因素主要包括恐怖襲擊和人為失誤等，其中人為失誤主要來自于航空管制員、飛行員、維修工程師等。人為因素導(dǎo)致的空難事故中，最廣受關(guān)注、影響最大的美國“9.11恐怖襲擊事件”中，被恐怖分子劫持的兩架飛機(jī)撞擊紐約曼哈頓的世界貿(mào)易中心，導(dǎo)致包括美國紐約地標(biāo)性建筑世界貿(mào)易中心在內(nèi)的6座建筑被完全摧毀，死亡人數(shù)約3000余人，成為世界航空史上最大的恐怖襲擊空難事故。此外，人為操作失誤也是空難的主要人為因素之一。2017年7月17日，發(fā)生在巴西孔戈尼亞斯機(jī)場的飛機(jī)事故就是人為操作失誤引發(fā)的。事故主要原因是管制塔臺允許飛機(jī)在積水濕滑的跑道降落，結(jié)果飛機(jī)著陸后由于滑行太快而失控沖出跑道，重新起飛后撞到機(jī)場外航空公司的倉庫大樓上發(fā)生爆炸，事故造成包括乘客、機(jī)組人員、樓內(nèi)職工和過路行人共約200人喪生。

1.2 非人為因素所引起的空難

非人為因素通常是不可抗因素，包括機(jī)械故障、氣候影響、電磁干擾、鳥撞等。由于飛機(jī)制造過程復(fù)雜，且飛機(jī)體積龐大，盡管飛機(jī)設(shè)計和制造技術(shù)不斷提高，但是機(jī)械故障所致的飛機(jī)事故還是時有發(fā)生。機(jī)械故障主要包括發(fā)動機(jī)故障、儀表顯示不正常、液壓系統(tǒng)失靈等。臺灣復(fù)興航空客機(jī)失事就是發(fā)動機(jī)故障導(dǎo)致飛機(jī)動力不足引起。氣候影響主要包括：雷暴天氣時飛機(jī)可能被閃電擊中導(dǎo)致?lián)p壞，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)氣動特性、濃霧和暴雨影響安全降落條件。2010年巴基斯坦空難就是氣候原因所致，機(jī)上152人遇難。電磁干擾是由于飛機(jī)上的導(dǎo)航設(shè)備和操縱系統(tǒng)被外來電磁波干擾而無法接收地面導(dǎo)航站的電磁信號，導(dǎo)致飛機(jī)正常飛行被干擾而引發(fā)事故。而鳥撞飛機(jī)是由于飛機(jī)的高速運動產(chǎn)生巨大的動量，鳥與飛機(jī)相撞時由于撞擊時間很短，根據(jù)物理學(xué)知識，撞擊力將足夠大，從而破壞飛機(jī)的局部結(jié)構(gòu)如發(fā)動機(jī)葉片等。

總的來說，因為種種原因，空難事故總是難以避免，找到空難事故的原因，有助于提前防范從而減少同類事故的發(fā)生。

2 空難事故中的力學(xué)問題

盡管引起空難事故的原因多種多樣，然而，空難發(fā)生時，通常表現(xiàn)為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞。這種飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞可能是局部的，也可能是整體的;破壞的過程可能是一瞬間的，也可能是漸進(jìn)的。引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞的本質(zhì)問題主要是力學(xué)問題。根據(jù)破壞的過程和形式，這些力學(xué)問題可以分為靜力破壞、沖擊破壞、疲勞破壞三類。

2.1 靜力破壞

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力破壞通常是飛機(jī)某些局部位置承受的應(yīng)力超過材料的強度極限而導(dǎo)致的一次性破壞?？针y史上的第一次事故就是由于螺旋槳出現(xiàn)裂紋后其承載能力下降，導(dǎo)致螺旋槳斷裂而失事。靜力破壞的空難事故很多，如：1989年，美國聯(lián)合航空公司811航班在23000英尺高空飛行時前貨艙門突然爆裂，內(nèi)壓的作用使得整個右前側(cè)機(jī)體被撕裂;2009年，土耳其航空1951號航班在降落過程中嚴(yán)重?fù)p毀，斷成三截，主要是結(jié)構(gòu)承載過大所致。

2.2 沖擊破壞

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的沖擊破壞主要是由于飛機(jī)與外部物體之間的碰撞所致。主要來自兩方面，飛機(jī)高速運動過程中受鳥撞擊而出現(xiàn)破壞以及飛機(jī)低速或高速運動時與其余飛機(jī)或建筑相撞而出現(xiàn)破壞。2009年全美航空1549號航班在起飛后90秒攀升到3200英尺后，因鳥擊致使兩個引擎都失去動力而不得不迫降，所幸未造成人員傷亡;而1996年，印度上空的兩架客機(jī)相撞就沒那么幸運了，造成了350余人遇難，這也成了航空史上最嚴(yán)重的飛機(jī)空中相撞事故。

2.3 疲勞破壞

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞通常是在遠(yuǎn)低于設(shè)計容許最大應(yīng)力的循環(huán)應(yīng)力作用下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)局部的疲勞源不斷擴(kuò)展，形成疲勞裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界長度時，由于材料凈承載面積下的應(yīng)力超過材料的極限強度而發(fā)生破壞。疲勞破壞是飛機(jī)空難事故主要的原因之一。在對眾多空難失事飛機(jī)殘骸的檢查中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)機(jī)身金屬疲勞破壞的現(xiàn)象。如1969年F-111戰(zhàn)斗機(jī)的破壞就是由于接頭處的半橢圓疲勞初始裂紋擴(kuò)展所致;1979年美國航空公司的DC-10型客機(jī)失事是由于機(jī)身上連接引擎和機(jī)翼的螺栓因疲勞而折斷，導(dǎo)致引擎爆炸引起的。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展

空難所造成的破壞是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全最大的挑戰(zhàn);然而，不管對于民機(jī)還是軍機(jī)，安全是永恒的主題，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求。飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的發(fā)展來源于飛機(jī)的使用實踐，同時又受制于當(dāng)時的科技水平和生產(chǎn)力水平。

早期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受的最大載荷必須大于實際承受載荷的一定倍數(shù)（又叫做安全系數(shù)），即滿足靜強度設(shè)計準(zhǔn)則;這一設(shè)計準(zhǔn)則貫穿了整個飛機(jī)設(shè)計發(fā)展史。第一次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)的飛機(jī)機(jī)翼顫振問題，使得飛機(jī)設(shè)計開始關(guān)注剛度問題，此時的飛機(jī)設(shè)計中又加入了變形設(shè)計準(zhǔn)則和氣動彈性設(shè)計準(zhǔn)則。

第二次世界大戰(zhàn)后，多個國家相繼出現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)因疲勞破壞引發(fā)的空難事故，其中彗星號飛機(jī)的災(zāi)難性事故最為典型;為了解決這一疲勞破壞問題，安全壽命設(shè)計方法被采用。安全壽命設(shè)計是以結(jié)構(gòu)無裂紋壽命作為設(shè)計目標(biāo)，而結(jié)構(gòu)中的初始缺陷以及制造缺陷無法避免，飛機(jī)結(jié)構(gòu)必然會存在各種損傷，損傷的發(fā)展會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，因此，在安全壽命設(shè)計的基礎(chǔ)上，破損安全設(shè)計思想被發(fā)展起來。破損安全設(shè)計的思想是設(shè)計備用結(jié)構(gòu)，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)在主傳力結(jié)構(gòu)失效后，由備用結(jié)構(gòu)承擔(dān)載荷，以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全。然而，由于檢修成本太高，促使了耐久性/損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則的誕生。損傷容限設(shè)計承認(rèn)結(jié)構(gòu)中存在未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷，要求在使用過程中的重復(fù)載荷作用下，缺陷的增長應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，在規(guī)定的檢查間隔內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的剩余強度要求，以便能通過有效的檢查、維修保證結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)不發(fā)生災(zāi)難性的破壞。目前，耐久性/損傷容限設(shè)計思想是各國先進(jìn)飛機(jī)的主要設(shè)計思想，各國都頒布了相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范。

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