Cessna172飛機(jī)主起落架多發(fā)性故障及原因分析

陳 亮 趙晨迪

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618307）

0 引言

Cessna172飛機(jī)采用全金屬機(jī)身結(jié)構(gòu)、前三點(diǎn)式起落架和上單翼設(shè)計(jì)，其主起落架為不可收放的管簧式或板簧式固定結(jié)構(gòu)，管簧式起落架的主體結(jié)構(gòu)是一彎折成Z字型的彈簧鋼管，如圖1所示，板簧式起落架的主體結(jié)構(gòu)是一彎折成Z字型的彈簧鋼板，兩種結(jié)構(gòu)的起落架均結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠耐用，既充當(dāng)承力結(jié)構(gòu)，也是吸能結(jié)構(gòu)[1]。左、右主起落架分別用螺栓固定在機(jī)身底部，其下部外側(cè)連接了一個(gè)鑄鋁機(jī)輪組件和鋼制圓盤(pán)式剎車(chē)系統(tǒng)，為防止剎車(chē)油管、整流罩等部件與主起落架碰磨，在主起落架表面還粘貼了特氟龍膠帶以防磨。經(jīng)分析，兩種主起落架材質(zhì)為6150M彈簧鋼，性能與國(guó)內(nèi)50CrVA鋼相近，在國(guó)外被廣泛用于制造輕型飛機(jī)固定式起落架。

圖1 Cessna172飛機(jī)

1 主起落架多發(fā)性故障特點(diǎn)

1.1 美國(guó)

通過(guò)查詢美國(guó)聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，簡(jiǎn)稱(chēng)FAA）航空器使用困難報(bào)告數(shù)據(jù)庫(kù)（Service Difficulty Report，簡(jiǎn)稱(chēng)SDR）[2]，收集到228條與Cessna飛機(jī)起落架系統(tǒng)有關(guān)的SDR報(bào)告，SDR故障報(bào)告日期在1995年5月至2022年7月，其中214條與可收放起落架有關(guān)，14條與不可收放起落架有關(guān)，數(shù)據(jù)分析如圖2所示。進(jìn)一步分析11個(gè)機(jī)型出現(xiàn)的多條不可收放起落架出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：4起為前起落架故障；1起為主起落架上的浮筒故障；7起主起落架故障中，有5起為主起落架與機(jī)身處的連接螺栓松動(dòng)或安裝襯套損傷（其中4起明確發(fā)生在右主起落架），1起為主起落架輪軸缺乏潤(rùn)滑，1起為重著陸導(dǎo)致主起落架折斷，沒(méi)有Cessna172飛機(jī)起落架的故障信息。基于美國(guó)通航業(yè)高度發(fā)達(dá)、輕型飛機(jī)飛行小時(shí)數(shù)達(dá)近百萬(wàn)小時(shí)來(lái)折算，Cessna飛機(jī)裝用的兩種一體式不可收放起落架可靠性較高。

圖2 FAA SDR數(shù)據(jù)分析

Cessna飛機(jī)公司針對(duì)1946—1986年生產(chǎn)的145 000架單發(fā)、鋁制全金屬飛機(jī)，基于對(duì)全球用戶歷年反饋的主要故障及原因的分析結(jié)果，于2016年發(fā)布了Cessna Single Engine Safety Initiative報(bào)告，見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。報(bào)告指出：由于這些飛機(jī)的平均使用年限達(dá)到42年，屬于老齡飛機(jī)，因此多發(fā)性故障主要是腐蝕和疲勞導(dǎo)致的各種結(jié)構(gòu)部件失效及損傷，其中主起落架的多發(fā)性故障為腐蝕和疲勞斷裂，如圖3所示。圖3（a）展示了板簧式主起落架出現(xiàn)腐蝕的主要位置是腳蹬處，圖3（b）展示了一架因?yàn)辄c(diǎn)蝕而萌發(fā)了疲勞裂紋，最終導(dǎo)致主起落架折斷、飛機(jī)嚴(yán)重受損的案例。

圖3 Cessna飛機(jī)公司提供的故障案例

飛機(jī)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展過(guò)程一般分為五個(gè)階段：第一階段為靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段，第二階段為靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)階段，第三階段為強(qiáng)度/剛度/疲勞安全壽命設(shè)計(jì)階段，第四階段為強(qiáng)度/剛度/損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)階段，第五階段為結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)試用階段。Cessna172飛機(jī)在1955年11月取得FAA頒發(fā)的TC，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處于靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)階段，沒(méi)有考慮到疲勞對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命影響，因此，在2011年以前，Cessna飛機(jī)公司對(duì)其Cessna172系列飛機(jī)沒(méi)有規(guī)定使用壽命限制，比如飛行小時(shí)壽命、飛行起落壽命、飛行年限壽命。

在收到澳大利亞等用戶報(bào)告的多起腐蝕故障后，Cessna飛機(jī)公司于2011年8月發(fā)布了針對(duì)Cessna系列飛機(jī)的補(bǔ)充檢查項(xiàng)目（Supplemental Inspection Document，簡(jiǎn)稱(chēng)SID），要求用戶針對(duì)不同使用年限、飛行小時(shí)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢查。十年間，SID項(xiàng)目從最初的23項(xiàng)已增加到目前的32項(xiàng)。2015年6月，Cessna飛機(jī)公司在飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)第五章《補(bǔ)充結(jié)構(gòu)檢查》的說(shuō)明部分中明確：推薦用戶將累計(jì)使用時(shí)間達(dá)到30 000 h后的Cessna172飛機(jī)退役。究其根本原因，還是老齡飛機(jī)不可避免地面臨腐蝕和疲勞問(wèn)題，在腐蝕和疲勞的雙重作用下，飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)的損傷概率大增。

1.2 澳大利亞

澳大利亞四面環(huán)海，約70%的國(guó)土屬于干旱或半干旱地帶，中部大部分地區(qū)不適合人類(lèi)居住，而沿海城市人員密集、旅游業(yè)非常發(fā)達(dá)，比如悉尼、布里斯班、珀斯、凱恩斯，因此絕大部分單發(fā)飛機(jī)在上述典型海洋氣候的地區(qū)飛行，澳大利亞成為單發(fā)飛機(jī)腐蝕故障發(fā)生率較高的國(guó)家之一。

澳大利亞民航安全管理局（Civil Aviation Safety Authority，簡(jiǎn)稱(chēng)CASA）是全球較早強(qiáng)制要求用戶執(zhí)行SID項(xiàng)目的管理機(jī)構(gòu)之一，于2014年4月發(fā)布AWB 02-048 issue1-Compliance with Cessna SIDs，目前已更新至Issue8，見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。該報(bào)告專(zhuān)門(mén)針對(duì)Cessna系列飛機(jī)執(zhí)行SID而發(fā)布，其指出：Cessna系列飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢查項(xiàng)目是通過(guò)結(jié)合現(xiàn)代工程分析技術(shù)、全球服役數(shù)據(jù)和塞斯納幾十年來(lái)收集的缺陷報(bào)告而制定的。在澳大利亞Cessna機(jī)隊(duì)中的常見(jiàn)故障是結(jié)構(gòu)腐蝕，比如水平安定面支架、隔框肋條和主起落架腐蝕，如圖4所示。

圖4 澳大利亞用戶發(fā)現(xiàn)的主起落架腐蝕

1.3 中國(guó)

從文獻(xiàn)[5]可以看出，國(guó)內(nèi)329架Cessna172飛機(jī)主要由中國(guó)民用航空飛行學(xué)院、湖北蔚藍(lán)航校、山東九天國(guó)際飛行學(xué)校、山東南山飛行學(xué)校、廣西梧州中航飛校、四川龍浩飛行學(xué)校等機(jī)構(gòu)運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜。

2006年，中國(guó)民用航空飛行學(xué)院引進(jìn)的100架Cessna172R飛機(jī)開(kāi)始陸續(xù)投入使用，年均飛行小時(shí)達(dá)到1 200～1 500 h后，每小時(shí)起落架次達(dá)到2.5個(gè)，而國(guó)外用戶年均飛行100～150 h，每小時(shí)起落架次不到1個(gè)。由于使用率高、起落架次高，加上飛行訓(xùn)練中著陸過(guò)載較大時(shí)有發(fā)生，因此機(jī)隊(duì)在使用8 000 h后，普遍出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的一些故障，比如FS108號(hào)隔框裂紋，后續(xù)分析系疲勞所致。中飛院將運(yùn)行中發(fā)生的各類(lèi)故障均及時(shí)反饋給Cessna公司，得到其高度重視，并于2011年派出資深結(jié)構(gòu)工程師到中飛院現(xiàn)場(chǎng)研討。

對(duì)中國(guó)民用航空飛行學(xué)院2006—2021年Cessna172R飛機(jī)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到以下數(shù)據(jù)：發(fā)生主起落架與機(jī)身處的安裝襯套松動(dòng)或異常磨損故障96起，主起落架腐蝕超標(biāo)123件（涉及83架飛機(jī)）。

2 典型多發(fā)性故障失效機(jī)理分析

2.1 主起落架腐蝕

Cessna172飛機(jī)主起落架通過(guò)表面漆層來(lái)防腐，但是在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)漆層會(huì)被破壞，主要原因如下：首先，飛機(jī)登機(jī)腳蹬設(shè)計(jì)不合理。腳蹬通過(guò)過(guò)盈配合直接套在主起落架上，這種設(shè)計(jì)在安裝時(shí)不可避免地會(huì)損傷主起落架表面的漆層，同時(shí)還不能完全將水汽阻斷。另外，此處為方便安裝整流罩，又采用開(kāi)口設(shè)計(jì)，飛機(jī)在運(yùn)行中會(huì)很快形成水分和雜質(zhì)集聚區(qū)。

2.2 主起落架襯套松動(dòng)

主起落架襯套是鋼膠組合成的構(gòu)件，外部是鋼制部件，與內(nèi)部白色非金屬部件粘接形成一體，松動(dòng)故障均是內(nèi)部白色非金屬襯套磨損超標(biāo)所致。以《紅外光譜分析方法通則》（GB/T 6040—2002）為依據(jù)，用Thermo Fisher Nicolet 6700 FT-IR測(cè)試儀對(duì)Cessna172飛機(jī)主起落架襯套膠體部分，在溫度25℃、濕度60%的檢測(cè)條件下進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)白色非金屬部件成分為聚醚型聚氨酯。

在此基礎(chǔ)上，中飛院進(jìn)行了襯套結(jié)構(gòu)反求設(shè)計(jì)、原裝件材質(zhì)分析、原裝件工藝分析等一系列研究，選定了國(guó)產(chǎn)替代材料。

對(duì)自制國(guó)產(chǎn)部件進(jìn)行尺寸檢查及各種試驗(yàn)驗(yàn)證并裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，國(guó)產(chǎn)襯套除使用壽命略短于國(guó)外原裝件外，其余性能與國(guó)外原裝件相當(dāng)，能滿足裝機(jī)使用要求。

3 維護(hù)建議

（1）關(guān)注腳蹬區(qū)域防腐。針對(duì)腳蹬設(shè)計(jì)缺陷，應(yīng)仔細(xì)檢查腳蹬與主起落架貼合處有無(wú)腐蝕，如有，需通過(guò)噴丸徹底清除腳蹬內(nèi)壁和主起落架上的腐蝕，再?lài)娡可巷w機(jī)維護(hù)手冊(cè)規(guī)定的底漆和面漆，隨后在腳蹬與主起落架結(jié)合區(qū)域涂抹防腐膠。同時(shí)在腳蹬開(kāi)口處加裝擋片，使腳蹬組件與整流罩逐漸形成密閉空間，防止鞋底臟物、雨水等聚集在腳蹬處。

（2）增加防腐工作。如果處于潮濕和存在較多酸性物質(zhì)的環(huán)境中，主起落架表面特別是部件結(jié)合面在運(yùn)行中會(huì)聚集灰塵、油脂等臟物形成沉積層，沉積層能吸收空氣中及維護(hù)時(shí)的水分和酸性物質(zhì)，進(jìn)而形成酸性環(huán)境，導(dǎo)致金屬部件出現(xiàn)腐蝕。因此，日常維護(hù)中要增加清潔和防腐要求：定期檢查主起落架表面清潔度，徹底清除殘留的沉積物，發(fā)現(xiàn)漆層破損要及時(shí)修補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)腐蝕要及時(shí)按照規(guī)定程序處理。