老齡化通用航空器維護(hù)技術(shù)探討

茍江 周彬

摘要：對于業(yè)界廣泛探討的航空器老齡化現(xiàn)象，本文提出了不同的理解概念。結(jié)合中國民用航空飛行學(xué)院的運行經(jīng)驗，詳細(xì)指出了通用航空器在老齡化過程中易發(fā)生的缺陷及隱患，對通航維護(hù)具有一定參考價值。最后，闡述了老齡化通用航空器在維護(hù)方面的關(guān)注要點，進(jìn)而提升航空器的運行安全性。

關(guān)鍵詞：老齡化通用航空器;維護(hù);隱患

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航空運輸因其能夠提供最快的交通速度，節(jié)約時間成本，成為越來越多人的出行選擇和貨運選擇。在通航領(lǐng)域，航空器已廣泛應(yīng)用于培訓(xùn)、救援、旅游、電力巡線、護(hù)林等各類作業(yè)。航空器經(jīng)過多年的使用逐漸老齡化，如何在高強(qiáng)度使用的背景下保障航空器的安全運行，是值得研究的課題。本文以中飛院上百架飛機(jī)近30萬的年飛行小時為研究基礎(chǔ)進(jìn)行探討，提出針對性的建議，對整個通航業(yè)中老齡航空器的維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 “老齡化”的概念

在多數(shù)有關(guān) “老齡飛機(jī)”的文獻(xiàn)中，將運行時間14年作為劃分航空器是否進(jìn)入“老齡”的節(jié)點。本文認(rèn)為這種劃分方式過于武斷，并不適合所有航空器的運行狀況?！袄淆g飛機(jī)”在FAA（還有EASA和CAAC）正式頒布的法規(guī)和咨詢通告中并沒有明確定義，而僅是FAA經(jīng)過事故調(diào)查、經(jīng)驗積累和多年研究提出的一種說法。而民航界通常劃分“老齡飛機(jī)”的14年時限，極有可能是源于FAR121部AA分部持續(xù)適航和安全改進(jìn)的121.1105條款中的規(guī)定“服役年限達(dá)到或超過14年的飛機(jī)應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)修理、改裝記錄進(jìn)行檢查和評估”[1]。中國民航局飛標(biāo)司潘超提出：“老齡飛機(jī)”并不是使用時間達(dá)到一定年齡的飛機(jī)，而是指設(shè)計規(guī)范存在一定缺陷的飛機(jī)。該觀點從不同側(cè)面豐富了“老齡化”的概念。

本文認(rèn)為，“老齡化”對航空器來說是一個漸變的過程，而無明確的時間或物理界限。在航空器整個壽命周期內(nèi)，隨著日歷年限的積累、起落循環(huán)的增加、設(shè)計缺陷的顯現(xiàn)，維護(hù)人員保持航空器固有可靠性的難度和經(jīng)濟(jì)成本不斷增加的過程即是老齡化過程。

2 老齡化通用航空器的隱患

隨著民航業(yè)的發(fā)展，航空器的老齡化現(xiàn)象不可避免。多數(shù)文獻(xiàn)的研究對象都為運輸航空器，而對通用航空器的關(guān)注度較低。隨著國家低空開放政策的實施帶來的通航發(fā)展，未來我國通用航空器老齡化現(xiàn)象必然日趨嚴(yán)重。相較于運輸航空器，通用航空器有其自身的特點，系統(tǒng)余度和可靠性較低、生產(chǎn)制造和維護(hù)運行成本更低。當(dāng)然，相對應(yīng)的是通用航空器的運行環(huán)境更加復(fù)雜，運輸航空器通常運行在已知的凈空條件良好的航線上，通用航空器更可能運行在地形復(fù)雜或生疏的空域，完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)[2]。

因此，通用航空器老齡化過程與運輸航空器有著相似之處，但也有自身的特點。下文結(jié)合中飛院的運行經(jīng)驗，介紹老齡化過程中航空器可能面臨的典型隱患。

2.1 廣布疲勞損傷

許多工程結(jié)構(gòu)和老齡化的航空器都存在一種典型的損傷形式——廣布疲勞損傷。這一術(shù)語來源于阿羅哈事故的分析報告[3]。隨著循環(huán)應(yīng)力的作用，在航空器的蒙皮結(jié)構(gòu)中鉚釘孔邊會出現(xiàn)多條疲勞裂紋，呈現(xiàn)多處損傷（MSD）的物理特征。這種損傷形式可使結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度明顯降低，并在短時間內(nèi)導(dǎo)致裂紋的突然連通，破壞航空器的物理完整性[4]。中飛院運行的主流初教機(jī)賽斯納172R于2006年引進(jìn)，普遍運行時間在10000小時以上，其工作舵面上極易出現(xiàn)該種損傷，如圖1所示。

2.2 高振動區(qū)域裂紋

通用航空領(lǐng)域廣泛使用直升機(jī)完成作業(yè)任務(wù)。直升機(jī)結(jié)構(gòu)相對于固定翼飛機(jī)更加復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)部件更多，因此帶來的振動問題將使更多的部件承受交變載荷。由此使直升機(jī)在老齡化過程中有更多機(jī)會產(chǎn)生故障[2]。中飛院在直升機(jī)培訓(xùn)領(lǐng)域使用的主力機(jī)型，如貝爾206BⅢ以及S269C-1均已服役超過20年，均有在高振動區(qū)域產(chǎn)生裂紋的記錄。貝爾206BⅢ型直升機(jī)的尾梁曾出現(xiàn)長約10cm的裂紋，調(diào)查和分析結(jié)論顯示，尾梁振動值超標(biāo)導(dǎo)致尾梁鉚釘結(jié)合部位出現(xiàn)交變應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。如圖2所示。同樣，S269C-1型直升機(jī)的下部皮帶輪斜撐桿在技術(shù)狀態(tài)檢查中發(fā)現(xiàn)斷裂，如圖3所示。

兩個案例存在相似特征：1）失效部位接近高速旋轉(zhuǎn)部件。在航空器運行過程中，機(jī)構(gòu)一直在吸收旋轉(zhuǎn)部件的振動能量。2）失效部位均為材料連接處。貝爾206BⅢ型直升機(jī)的裂紋源于鉚釘結(jié)合處，鉚釘孔帶來的幾何尺寸變化使材料的連續(xù)性受到破壞，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中使該處更易產(chǎn)生損傷。S269C-1型直升機(jī)的裂紋產(chǎn)生于焊縫周圍，焊接工藝工程中，結(jié)合處材料經(jīng)受了一次高溫后的自然冷卻，相當(dāng)于熱處理工藝的一次退火過程。材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化會使該處的強(qiáng)度有一定的下降，成為損傷的易發(fā)點。

2.3 磨損導(dǎo)致的材料缺失

機(jī)件在使用過程中不可避免地發(fā)生磨損，且加速磨損的因素很多，如振動、潤滑不良、工作面被異物污染等，在通用航空器的運行過程中十分普遍。磨損導(dǎo)致材料缺失，機(jī)件幾何尺寸變化，并視其部位不同帶來一系列問題，例如，操縱系統(tǒng)磨損會帶來機(jī)構(gòu)間隙，加劇振動，降低飛行舒適性;蒙皮蓋板材料缺失會導(dǎo)致氣動外形細(xì)微改變，同時材料強(qiáng)度也會降低。這類缺陷在中飛院的多型航空器中均有明顯表現(xiàn)，如圖4、圖5所示。

2.4 腐蝕

航空器在整個壽命周期內(nèi)，無論處于地面停放狀態(tài)或運行狀態(tài)，一定會受當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境影響。由于通用航空器自身的特點，其飛行高度低，運行環(huán)境復(fù)雜，所受影響必然更加顯著。而自然環(huán)境所導(dǎo)致的腐蝕作用會使蒙皮以及結(jié)構(gòu)的性能變差，造成損傷，從而降低材料的疲勞壽命[5]。在對退役飛機(jī)檢測時，在蒙皮搭接機(jī)構(gòu)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)蝕坑，該種腐蝕具有極強(qiáng)的隱蔽性，目視檢查無法發(fā)現(xiàn)。根據(jù)運行經(jīng)驗，大多數(shù)腐蝕情況都發(fā)生在具有水汽或污染物累積的客觀條件下。例如，賽斯納172R飛機(jī)的起落架腐蝕就明顯出現(xiàn)在粘貼了特氟龍膠帶的部位，由于膠帶與金屬材料之間的微小間隙導(dǎo)致水分累積，在航空器運行超過10年后出現(xiàn)點蝕，如圖6所示。

類似的情況也出現(xiàn)在貝爾206BⅢ型直升機(jī)的主減A型支架固定螺栓處，由于填充的隔音棉具有較強(qiáng)的吸水能力，在排水通道出現(xiàn)堵塞后，其吸附的水分導(dǎo)致封閉空間內(nèi)形成高腐蝕環(huán)境，從而造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重腐蝕，如圖7所示。

2.5 電氣部件老化

航空器的機(jī)齡超過10年以后，深埋在結(jié)構(gòu)中的電線就開始產(chǎn)生裂紋和磨損。這種缺陷最初被航空界忽視。環(huán)球航空公司800次航班的墜毀事故調(diào)查結(jié)果顯示，電線短路所引起的火花造成了中心機(jī)翼油箱爆炸[6]?？梢婈P(guān)鍵部位的導(dǎo)線缺陷可能導(dǎo)致極其嚴(yán)重的后果。有文獻(xiàn)記載，機(jī)齡超過20年的L-1011飛機(jī)每1000米電線有13個裂紋，DC9飛機(jī)每1000米電線有1.6個裂紋。通用航空器的運行環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)線的老化速度及程度均超過運輸航空器，這在中飛院的貝爾206BⅢ型直升機(jī)上體現(xiàn)的尤為明顯。該型直升機(jī)機(jī)齡超過30年，雖然飛行時間不足1萬小時，但機(jī)身鋪設(shè)的Kapton導(dǎo)線已出現(xiàn)嚴(yán)重老化，如圖8所示。

此外，獨立的儀表設(shè)備在長時間使用后，由于元器件老化，即使經(jīng)過修理或翻修，其故障率也有明顯上升趨勢?？梢婋娖鞑考娜毕菁肮收显诤娇掌鞯睦淆g化過程中占有較大比重。

3 老齡化通用航空器維護(hù)要點

如前所述，航空器在老齡化過程中會表現(xiàn)出諸多典型缺陷。在面臨這些問題時，航空界的關(guān)注點是如何延緩航空器的老齡化過程，以及在老齡化過程中如何及時發(fā)現(xiàn)缺陷并作出處理。多方面的努力都在于保障老齡飛機(jī)的安全運行。1998年，F(xiàn)AA宣布成立了運輸系統(tǒng)老齡化規(guī)章咨詢委員會（ATSRAC），其成立后完成了多階段的工作，包括標(biāo)準(zhǔn)化線路施工手冊的格式，研究小型飛機(jī)電氣線路的老齡化問題，協(xié)助減緩飛機(jī)線路老齡化的新技術(shù)的發(fā)展[7]。航空器制造廠家也在積極與運營單位溝通，完善手冊維護(hù)內(nèi)容，及時頒布通告，改進(jìn)老齡化過程中所出現(xiàn)的缺陷。中飛院在對待老齡化和航空器的維護(hù)方式上也總結(jié)了許多經(jīng)驗。

3.1 完善維修方案

維修方案作為所有例行工作的直接依據(jù)，其涵蓋的維修廣度和深度直接決定了航空器保持其固有可靠性的能力。隨著航空器的運行環(huán)境及自身狀態(tài)的改變，維修方案的內(nèi)容應(yīng)做出相應(yīng)的修訂。中飛院所運行的主力初教機(jī)賽斯納172R在進(jìn)入10000小時后，維修方案中加入了超越手冊的檢查內(nèi)容。自增的檢查內(nèi)容集中在日常定檢所不涵蓋的結(jié)構(gòu)件或操縱部件上，如起落架安裝座、機(jī)身內(nèi)部蒙皮、駕駛桿組件U型架、方向舵腳蹬扭力管等。而日歷時限達(dá)30年的貝爾206BⅢ型直升機(jī)在維修方案中增加了腐蝕控制相關(guān)內(nèi)容，對重點區(qū)域明確了檢查標(biāo)準(zhǔn)及修復(fù)方法。從維修立法層面做出的修訂，能為老齡化航空器的維護(hù)方式帶來質(zhì)的改變。

3.2 強(qiáng)化維護(hù)細(xì)節(jié)

延緩航空器老齡化過程不會對維護(hù)人員的能力提出極高要求。因此，“維護(hù)作風(fēng)勝于個人能力”得到了極好的體現(xiàn)。在飛行后，及時清潔航空器，確保機(jī)身及關(guān)鍵部位無塵埃及其他腐蝕物累積，能明顯控制腐蝕的加劇過程。振動區(qū)域蒙皮磨損不可避免，在磨損初期如果及時進(jìn)行補(bǔ)漆工作，則可避免金屬材料在振動磨損中出現(xiàn)缺失。對航空器所有排水孔進(jìn)行細(xì)致檢查，確保其暢通，能有效避免滑油、液壓油及水分對機(jī)體可能帶來的嚴(yán)重腐蝕。一線維護(hù)人員對航空器的維護(hù)要點的總結(jié)反饋，能形成對維修方案的有效循環(huán)優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化維護(hù)手段

航空制造技術(shù)在不斷發(fā)展，對應(yīng)的維護(hù)及修理技術(shù)也在進(jìn)步。新理念、新設(shè)備的引入能在保障維護(hù)質(zhì)量的前提下，節(jié)省人力及時間成本，同時提供更為準(zhǔn)確的缺陷分析、故障定位。從而消除老齡化航空器可能存在的諸多隱患。以航空器導(dǎo)線的檢查和排故為例，通航領(lǐng)域仍沿用幾十年來的目視檢查法。不可否認(rèn)，這種方法在許多工作中有其重要性和有效性，但局限性也是顯而易見的。多年以前的文獻(xiàn)中就已介紹了導(dǎo)線檢查的時域反射測量法（TDR）、駐波反射測量法（SWR）、頻域發(fā)射測量法（FDR），并且有相關(guān)設(shè)備研發(fā)的記載[6]。受限于信息不暢、維修成本或管理理念的原因，新技術(shù)在通航領(lǐng)域的推廣明顯遲滯于運輸航空，這確實是通航領(lǐng)域需要改進(jìn)與完善之處。

4 結(jié)束語

本文首先討論了航空器老齡化的概念。結(jié)合中飛院的維護(hù)經(jīng)驗，說明了在“老齡化”過程中，通用航空器可能出現(xiàn)的典型缺陷及面臨的問題。對于如何減緩航空器的老齡化，以及更好地維護(hù)老齡化的航空器提出了解決措施。最后，對通航領(lǐng)域發(fā)展的可改進(jìn)之處提出了一些建議。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘超，呂新明，劉淵. “老齡飛機(jī)”的持續(xù)適航和安全改進(jìn)[J].航空維修與工程，2015（9）：30-31.

[2] 呂伯平，張文軍. 老齡化直升機(jī)的維護(hù)[J].直升機(jī)技術(shù)，2006（2）：55-57.

[3] 李嘉騫，沈海軍. 老齡飛機(jī)廣布疲勞問題研究綜述[J].飛機(jī)設(shè)計，2014（2）：28-32.

[4] 盧翔，盧鵬飛，王寧，藺越國，楊杭. 飛機(jī)蒙皮廣布疲勞裂紋損傷擴(kuò)展特性分析[J].機(jī)械工程與自動化，2016（12）：36-39.

[5] 田云飛，曹宗杰. 紅外檢測在老齡飛機(jī)蒙皮搭接結(jié)構(gòu)腐蝕檢測中的應(yīng)用研究[J].飛機(jī)設(shè)計，2013（6）：31-35.

[6] 韓世杰. 飛機(jī)電線老化問題及其對策[J].航空工程與維修，2002（1）：23-25.

[7] 顧海榮. EWIS介紹以及維護(hù)管理要求[J].航空維修與工程，2012（2）：47-50.

[8] 李潔舟. 飛機(jī)線路故障問題及其對策[J].硅谷，2013（17）：91，96.

[9] 曲帆，邢晨光，郭鑫. 國外老齡化飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方法[J].航空科學(xué)技術(shù)，2014（25）：1—5.