極端氣候下民機(jī)機(jī)構(gòu)的典型失效模式

張 惠，吳敬濤，田培強(qiáng)，鄧文亮

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710029）

1 研究背景

高溫、高寒、濕熱、結(jié)冰等極端氣候條件極易造成民機(jī)艙門(mén)變形卡滯、起落架卡滯或收放不同步、活動(dòng)翼面結(jié)冰等典型機(jī)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。艙門(mén)、起落架、襟縫翼等典型機(jī)構(gòu)中活動(dòng)部件會(huì)由于極端氣候條件的影響產(chǎn)生一定的變形量，若變形量過(guò)大，可能導(dǎo)致艙門(mén)的開(kāi)關(guān)功能、起落架及襟縫翼收放功能受到影響，引起部件不能運(yùn)動(dòng)到位，嚴(yán)重時(shí)造成卡滯，對(duì)民機(jī)飛行性能或安全性產(chǎn)生較大影響。

適航規(guī)章要求民機(jī)在研制和適航取證階段采用分析和試驗(yàn)的方法表明艙門(mén)、起落架、活動(dòng)翼面等典型結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下功能和性能的符合性。國(guó)外民機(jī)制造商通常在試飛前期使用全狀態(tài)飛機(jī)在模擬的極端氣候條件下進(jìn)行整機(jī)氣候試驗(yàn)，提前暴露民機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)潛在的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)或制定解決策略，以保障民機(jī)極端氣候適航取證順利進(jìn)行。國(guó)內(nèi)民機(jī)極端氣候研究起步較晚，與國(guó)外差距較大，尤其缺乏對(duì)極端氣候下的民機(jī)機(jī)構(gòu)典型故障失效模式的分析與研究[1-3]。

為了研究民機(jī)機(jī)構(gòu)在極端溫度環(huán)境下的失效機(jī)理與典型故障模式，有必要開(kāi)展極端氣候下的民機(jī)機(jī)構(gòu)典型故障失效模式分析研究[4-7]。

2 民機(jī)典型機(jī)構(gòu)概述

2.1 起落架系統(tǒng)

起落架系統(tǒng)是整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)重要的部分，主要用于保證飛機(jī)的起飛、降落、滑行和停放。起落架系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)的總體布局、氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)布置，特別是飛機(jī)的安全性，有著重大且直接的影響。由于現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)空地循環(huán)周期縮短，壽命期內(nèi)地面運(yùn)動(dòng)距離增長(zhǎng)，系統(tǒng)工作處于復(fù)雜環(huán)境，因此使用故障較多，使起落架設(shè)計(jì)涉及的工程學(xué)科領(lǐng)域日益廣泛，且難度日益加大，必須保證起落架系統(tǒng)的安全性達(dá)到適航的要求[8]。

起落架是供飛機(jī)起飛、著陸時(shí)在地面上滑跑、滑行和移動(dòng)、停放用的，是飛機(jī)的主要部件之一，其工作性能以及可靠性直接影響飛機(jī)的使用和安全。起落架質(zhì)量約占全機(jī)質(zhì)量的3.7%～5%，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的10%～15%。起落架常見(jiàn)的形式如下。

簡(jiǎn)單支柱式起落架：主要受力構(gòu)件是減震支柱，它上連機(jī)體結(jié)構(gòu)，下連機(jī)輪，本身作為梁柱受力。

撐桿支柱式起落架：簡(jiǎn)單支柱式由于上端2個(gè)支點(diǎn)很靠近，減震支柱接近于一懸臂梁柱，撐桿支柱式則常在支柱中部附近加一撐桿，它是目前常用的一種形式。

搖臂支柱式起落架：搖臂支柱式起落架有2種形式。一是將減震器與受力支柱分開(kāi)；另一種是將減震器和支柱合二為一，這種形式宜在前輪使用，以便于前輪轉(zhuǎn)彎。

外伸式起落架：其安裝在機(jī)身側(cè)面，放下時(shí)向側(cè)下方伸出。多用于中單翼或上單翼的戰(zhàn)斗機(jī)。

多輪式起落架：多輪式起落架有用撐桿支柱式，也有用搖臂支柱式。大型運(yùn)輸機(jī)和重型轟炸機(jī)的質(zhì)量很大，為了減小機(jī)輪對(duì)地面的壓力，提高飛機(jī)的漂浮性，同時(shí)為避免機(jī)輪過(guò)大難于收藏等原因，一般都采用多輪式起落架。

2.2 艙門(mén)結(jié)構(gòu)

典型的艙門(mén)機(jī)構(gòu)布置如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)適航條款規(guī)定的功能如開(kāi)啟、關(guān)閉及增壓預(yù)防等，設(shè)計(jì)了鎖閂機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、手柄機(jī)構(gòu)和鉸鏈臂機(jī)構(gòu)等典型艙門(mén)機(jī)構(gòu)。為保證艙門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中與機(jī)身保持平行，設(shè)計(jì)了由2根連桿組成的平行機(jī)構(gòu)；止動(dòng)機(jī)構(gòu)使艙門(mén)在增壓載荷的作用下固定在艙門(mén)門(mén)框上；導(dǎo)向輪和門(mén)框上的導(dǎo)向輪槽配合以保證艙門(mén)提升過(guò)程順利進(jìn)行；鎖閂機(jī)構(gòu)用以鎖定艙門(mén)，防止其在飛行過(guò)程中意外開(kāi)啟；內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)則提供艙門(mén)開(kāi)啟所需的操縱力，一般由機(jī)組成員完成操縱；增壓預(yù)防門(mén)用以防止艙門(mén)在未完全關(guān)閉上閂鎖定的情況下增壓到一個(gè)不安全的水平。除了以上典型機(jī)構(gòu)外，根據(jù)艙門(mén)要求的不同，還可布置其他典型機(jī)構(gòu)，如開(kāi)啟姿態(tài)保持機(jī)構(gòu)、外手柄機(jī)構(gòu)、助力機(jī)構(gòu)、飛行鎖機(jī)構(gòu)等。

圖1 典型艙門(mén)機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 活動(dòng)翼面結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代民用飛機(jī)上機(jī)翼的前、后緣，有時(shí)沿整個(gè)展長(zhǎng)，布置了大量活動(dòng)面。除后緣的部分展長(zhǎng)布置了橫向操縱用的副翼和擾流片之外，其余部分則用來(lái)布置各類(lèi)增升裝置，用以延遲機(jī)翼在大迎角飛行時(shí)失速的發(fā)生，改善起飛、著陸特性，提高各種飛行狀態(tài)下飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。而增升裝置要實(shí)現(xiàn)這些功能，其收放運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)起到了至關(guān)重要的作用。襟、縫翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從狹義上講，專(zhuān)指與操縱飛機(jī)增升裝置達(dá)到預(yù)定位置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；從廣義上講，是指整個(gè)增升裝置這個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的整體，該整體既包括操縱機(jī)構(gòu)，又包括可動(dòng)的結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)（即襟、縫翼結(jié)構(gòu)本身，當(dāng)然，這些結(jié)構(gòu)是可動(dòng)部件）。而且這里的襟翼代表后緣增升裝置，縫翼代表前緣增升裝置。

位于機(jī)翼后緣的襟翼，通過(guò)傳動(dòng)裝置繞其轉(zhuǎn)軸作向后直線(xiàn)或圓弧曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以擴(kuò)大機(jī)翼的面積和彎度，達(dá)到增加升力和控制阻力的目的。飛機(jī)襟翼機(jī)構(gòu)形式復(fù)雜、種類(lèi)繁多，要想明確劃分不太容易。目前飛行在航線(xiàn)的民用飛機(jī)中，襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為下沉式鉸鏈機(jī)構(gòu)、滑軌滑輪機(jī)構(gòu)以及四連桿機(jī)構(gòu)。

前緣縫翼是安裝在基本機(jī)翼前緣的一段或者幾段狹長(zhǎng)小翼，主要是靠增大飛機(jī)臨界迎角來(lái)獲得升力增加的一種增升裝置。前緣縫翼的作用主要有2個(gè)：一是延緩機(jī)翼上的氣流分離，提高了飛機(jī)的臨界迎角，使得飛機(jī)在更大的迎角下才會(huì)發(fā)生失速；二是增大機(jī)翼的升力系數(shù)。其中增大臨界迎角的作用是主要的。這種裝置在大迎角下，特別是接近或超過(guò)基本機(jī)翼的臨界迎角時(shí)才使用，因?yàn)橹挥性谶@種情況下，機(jī)翼上才會(huì)產(chǎn)生氣流分離[9]。

3 民機(jī)典型機(jī)構(gòu)故障/失效模式分析

3.1 極端氣候下民機(jī)起落架故障/失效模式分析

民機(jī)起落架機(jī)構(gòu)的典型事故類(lèi)型包括不能收起、不能放下、起飛或著陸爆胎、坍塌、液壓失效、剎車(chē)失效、機(jī)輪脫落、鎖失效以及轉(zhuǎn)彎失效等10類(lèi)事故。根據(jù)故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結(jié)合民機(jī)起落架機(jī)構(gòu)工作原理以及理論分析，可以得到起落架機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能收起、不能放下以及剎車(chē)失效。

3.1.1 起落架機(jī)構(gòu)“不能收起或不能放下”故障模式分析

該故障模式是指前起落架或左主起落架或右主起落架之中，有1個(gè)或2個(gè)或全部沒(méi)有放下或者放下未鎖定。對(duì)于起落架不能收起或者放下故障模式，其故障可能來(lái)源于系統(tǒng)，也有可能來(lái)自于收放機(jī)構(gòu)。起落架在收放過(guò)程中機(jī)構(gòu)本身出現(xiàn)卡阻或者失效，而和起落架收放機(jī)構(gòu)有關(guān)的結(jié)構(gòu)件比如連接處的螺栓、軸銷(xiāo)、軸承、耳片等失效也會(huì)導(dǎo)致起落架無(wú)法放下。在極端氣候條件下高溫、高寒條件可能會(huì)導(dǎo)致起落架收放機(jī)構(gòu)變形或是上、下位鎖機(jī)構(gòu)出現(xiàn)變形卡滯，此外結(jié)冰條件也可能會(huì)導(dǎo)致起落架收放機(jī)構(gòu)因冰凍出現(xiàn)卡阻，高寒條件下也可能會(huì)導(dǎo)致液壓油結(jié)冰使液壓系統(tǒng)不能正常工作，導(dǎo)致起落架機(jī)構(gòu)不能正常打開(kāi)或關(guān)閉。

3.1.2 起落架機(jī)構(gòu)“剎車(chē)失效”故障模式分析

該故障模式是指起落架在滑行、滑跑以及起飛過(guò)程中，喪失全部或部分機(jī)輪剎車(chē)功能，非對(duì)稱(chēng)喪失機(jī)輪剎車(chē)功能或機(jī)輪剎車(chē)意外使用。對(duì)于起落架剎車(chē)失效故障模式，其故障可能來(lái)源于系統(tǒng)，也有可能來(lái)自于剎車(chē)機(jī)構(gòu)。在極端氣候條件下濕熱、高寒以及結(jié)冰條件下可能會(huì)導(dǎo)致起落架剎車(chē)機(jī)構(gòu)在受污染的跑道上失去正常減速以及剎車(chē)能力，尤其在高寒地區(qū)溫度較低可能會(huì)導(dǎo)致輪胎橡膠變硬變脆甚至發(fā)生斷裂，使飛機(jī)在受污染跑道上極易發(fā)生溜滑，導(dǎo)致起落架機(jī)構(gòu)剎車(chē)失效。

3.2 極端氣候下的民機(jī)艙門(mén)典型故障/失效模式分析

民機(jī)艙門(mén)機(jī)構(gòu)的典型事故類(lèi)型包括偶然打開(kāi)、偶然關(guān)閉、不能打開(kāi)或關(guān)閉、指示系統(tǒng)誤示、密封失效、人為操作失誤等6類(lèi)事故。根據(jù)故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結(jié)合艙門(mén)機(jī)構(gòu)工作原理以及理論分析，可以得到艙門(mén)機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能打開(kāi)或關(guān)閉[10]。

通過(guò)對(duì)“不能打開(kāi)或不能關(guān)閉”故障模式進(jìn)行分析可知，此故障模式引起的事故通常為Ⅲ類(lèi)事故，這是因?yàn)榕撻T(mén)的正常打開(kāi)或正常關(guān)閉過(guò)程都是在地面停放階段完成的，相比于飛行中的艙門(mén)，其危險(xiǎn)性較小。

極端氣候條件引起艙門(mén)機(jī)構(gòu)“不能打開(kāi)或不能關(guān)閉”故障模式的潛在原因主要是由于高溫、高寒以及結(jié)冰導(dǎo)致艙門(mén)機(jī)構(gòu)變形發(fā)生損壞或是出現(xiàn)卡阻，導(dǎo)致艙門(mén)機(jī)構(gòu)不能打開(kāi)或不能關(guān)閉。艙門(mén)機(jī)構(gòu)損壞會(huì)中斷艙門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的傳力路徑，使操縱力無(wú)法傳遞到鎖閂機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致無(wú)法開(kāi)啟或關(guān)閉。助力系統(tǒng)的損壞也會(huì)引起此故障模式，如艙門(mén)助力作動(dòng)器、艙門(mén)啟動(dòng)馬達(dá)及艙門(mén)助力控制系統(tǒng)，在極端氣候條件下溫度太低可能會(huì)導(dǎo)致電子電氣設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)或性能下降，這些問(wèn)題都有可能會(huì)影響艙門(mén)正常打開(kāi)或關(guān)閉，使其在極端氣候條件下發(fā)生故障。

3.3 極端氣候下的民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)典型故障/失效模式分析

民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)的典型事故類(lèi)型包括運(yùn)動(dòng)卡阻、操縱失效、強(qiáng)度失效、磨損失效、精度失效等5類(lèi)事故。由上一節(jié)所統(tǒng)計(jì)的由極端氣候?qū)е碌娘w行事故，根據(jù)其故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結(jié)合民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)工作原理以及理論分析，可以得到民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為定位失效和卡阻失效。

3.3.1 襟、縫翼機(jī)構(gòu)“定位失效”故障模式分析

極端氣候條件引起民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)“定位失效”故障模式的潛在原因主要是由于襟、縫翼機(jī)構(gòu)結(jié)冰會(huì)破壞機(jī)翼外形，除冰不徹底會(huì)使機(jī)翼表面變得粗糙，促使流經(jīng)機(jī)翼表面的氣流變成紊流，導(dǎo)致氣流提前分離，臨界迎角降低。襟、縫翼結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)阻力增大，升力減小，引起飛行速度減小、低頭力矩增加。著陸時(shí)減小襟翼角度或收起襟翼，這是減小低頭力矩的重要措施，同時(shí)也減小了襟翼下洗氣流對(duì)尾翼迎角的影響，減小著陸時(shí)的襟翼角度，必然要增大著陸速度，所以駕駛員需要考慮到著陸距離的增加。但在實(shí)際飛行操作過(guò)程中，飛行員有可能沒(méi)有注意到結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生，這就可能會(huì)導(dǎo)致飛行員在起飛或降落階段設(shè)置襟、縫翼偏角有誤，或未及時(shí)操作修正，導(dǎo)致襟、縫翼定位失效。

3.3.2 襟、縫翼機(jī)構(gòu)“卡阻失效”故障模式分析

極端氣候條件引起襟、縫翼機(jī)構(gòu)“卡阻失效”故障模式的潛在原因主要是由于高溫、高寒導(dǎo)致襟、縫翼機(jī)構(gòu)變形過(guò)大發(fā)生卡阻或是出現(xiàn)機(jī)械卡阻，以及結(jié)冰導(dǎo)致襟、縫翼機(jī)構(gòu)不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)或收放。在高溫或高寒地帶，由于氣候條件等原因，襟、縫翼機(jī)構(gòu)有可能出現(xiàn)變形過(guò)大等問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡阻失效；此外，襟、縫翼機(jī)構(gòu)還有可能在結(jié)冰條件下由于冰凍出現(xiàn)機(jī)械卡阻問(wèn)題，最終導(dǎo)致襟、縫翼機(jī)構(gòu)的卡阻失效。

4 結(jié)論

高溫、高寒、濕熱、結(jié)冰等極端氣候條件下極易造成民機(jī)艙門(mén)變形卡滯、起落架卡滯或收放不同步、活動(dòng)翼面結(jié)冰等環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。如起落架機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能收起、不能放下以及剎車(chē)失效；艙門(mén)機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能打開(kāi)或關(guān)閉；而民機(jī)襟、縫翼機(jī)構(gòu)在極端氣候條件下的潛在失效模式為定位失效和卡阻失效。對(duì)極端氣候條件下的民機(jī)機(jī)構(gòu)典型故障/失效模式進(jìn)行研究，分析了極端氣候條件下的民機(jī)典型機(jī)構(gòu)的潛在失效模式，為極端氣候條件下的民機(jī)機(jī)構(gòu)適應(yīng)性分析研究工作提供了理論基礎(chǔ)。