疲勞破壞：飛機安全的“殺手”

1949年，英國著名的航空大師哈維蘭設計出了世界上第一種噴氣式民用客機——“彗星”號，這種客機首次使用了4臺大功率的噴氣發動機，采用了諸多先進的新材料和新技術。這是一款當時最為先進的噴氣式客機，它可在10千米的高度飛行，時速高達800千米，換句話說，乘坐這架飛機從英國倫敦飛到意大利羅馬只需2個小時。因此，1952年，這種飛機一投入運營便立刻在全世界引起了轟動。然而好景不長，1953年5月，一架“彗星”號客機從印度加爾各答機場起飛后不久在半空中解體：次年1月，另一架“慧星”號在地中海上空爆炸；同年4月又一架“彗星”號在羅馬起飛后在空中爆炸……據統讓，從1953年5月至1954年4月，短短的11個月里，共有9架“彗星”號客機在空中解體；這9架飛機上的乘客無一生還，全部遇難。為了找到事故的原因，英國皇家航空研究院的工程師們進行了大量的調查取證，最終一致認定，“殺手”為機身、機翼等部位的疲勞破壞。

事實上，疲勞破壞導致的航空惡性事故并不只局限于“彗星”號。

1979年，一架美國的“DC-10”大型客機在芝加哥奧黑爾國際機場起飛不久就墜毀。

1985年8月，日航的一架5ALl23客機，由于后部壓力隔板的開裂而墜毀。

2002年5月，臺灣中華航空公司一架波音747客機在臺灣海峽貶空突然解體，造成225人遇難。

事后的調查結果顯示，上述的機毀人亡事故均是由飛機結構的疲勞破壞引起的。

什么是疲勞破壞

人會生老病死，飛機也并不能無期限地供人們使用，它也像我們腳下的自行車，腕上的手表一樣，會因為疲勞損耗而走向“斷裂死亡”。試想，現在我們手中有一根鐵絲，若要把它一次性拉斷或者是折斷，對于一般人來說，往往是很難做到的。但是，如果我們把這根鐵絲反復彎曲，盡管用的力氣并不大，但彎曲若干次后鐵絲就會斷為兩截，這就是疲勞破壞現象。可見，疲勞破壞是指在反復載荷(也稱作“疲勞載荷”)作用下，結構中裂紋形成、擴展乃至斷裂的過程。

疲勞載荷對結構造成的損傷往往是一點一點累積的，結構斷裂前通常沒有明顯的預兆，具有隱蔽性和突發性；而引起疲勞破壞的載荷往往較小，不足以使結構一次性斷裂。不過，在結構疲勞破壞發生后，其斷口上常會遺留“兇手作案”的痕跡，即斷口上可以清楚地觀察到疲勞裂紋的“發源地”、裂紋擴展時留下的一道道條紋，以及最后的突然斷裂區等部分。事實上，最后一點也是判定結構疲勞破壞的重要依據之一。

在服役期間，飛機不斷重復著起飛、飛行與降落這一過程：而在每次起飛、飛行與降落過程中，飛機的結構都承受著各種各樣反復作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括：跑道上顛簸的地面滑行載荷；飛行中大氣紊流(亂流)引起的“突風載荷”；飛機作仰俯、偏航以及側身等動作時的機動載荷；飛機著陸時的撞擊載荷：氣密座艙飛機艙內增壓一卸壓的所謂“地—空—地”循環載荷。這些載荷通常都比較小，不足以使飛機結構發生一次性斷裂，但它們日復一日，年復一年地作用在飛機上， 飛機結構中的疲勞損傷便會在不知不覺中累積。一旦這種疲勞損傷累積到一定程度，飛機的結構就會開裂，從而發生破壞。

棘手的疲勞問題

疲勞研究是一門與材料和結構緊密相關的既古老又年輕的學科，自從“疲勞之父”維勒將疲勞納入科學研究范疇至今，疲勞研究一直方興未艾。到目前為止，材料疲勞的真正機理與對其的科學描述仍未得到很好的解決。

疲勞的研究最初是由德國工程師阿伯特于1837年前后完成的。這是人類首次公開發表的疲勞研究結果，他研究的對象為礦山升降機鏈條的疲勞破壞。

在疲勞研究方面，最有影響力的要數疲勞理論的奠基人維勒。在1852～1869年期間，他先后開創地測試了火車輪軸的疲勞載荷；得出了載荷變化幅度對疲勞壽命影響最大的結論；探討了有限疲勞壽命和無限疲勞壽命間的差別；提出了材料S-N曲線(一種用來描述低載荷、高壽命的材料疲勞性能曲線)的概念。

此后，以舒茲為代表的一批科學家在疲勞領域也作出了巨大貢獻。他們認識到能承受很高靜載荷的材料并不一定具有良好的疲勞性能；利用表面的殘余壓應力可改善材料的抗疲勞性能；提出了疲勞累積損傷假設，解答了材料中“疲勞損傷是如何累積的”這一問題；開展了裂紋擴展試驗；提出了材料E-N曲線(與S-N曲線相對應，是一種用來描述高載荷、低壽命的材料疲勞性能曲線)的概念，至此，疲勞理論的研究框架基本形成。

1954年，“彗星”號飛機失事，導致了全世界范圍內進行包括飛機全尺寸疲勞試驗在內的大規模研究和試驗計劃。從此，疲勞研究進入了人發展時期。

自從1837年阿伯特首次報道疲勞研究成果至今，疲勞問題的研究已有百年的歷史。在這100多年里，人們對材料疲勞破壞的認識不斷加深；在進行結構設計時，也常常引入這樣或那樣的抗疲勞設計準則，然而，疲勞破壞現象在工業界仍屢見不鮮，防不勝防。據資料統計，現今有80％以上的機械零件的失效為疲勞破壞。這種疲勞破壞發生的對象可能是我們的自行車的鏈條、汽車的底盤、車間的機床、橋的橫梁，也可能是飛機甚至飛船。

腐蝕——飛機疲勞破壞的幫兇

飛機是大面積暴露在大氣和氣候環境中的交通工具，大氣和氣候環境通常會給飛機的結構帶來不同程度的腐蝕。這些大氣和氣候因素包括：海洋性氣候，即含有高濃度鹽霧的海平面；大氣污染，如酸雨等；雨、雪、霧天氣；高溫、高濕環境。此外，飛機跑道上的灰塵、積水，油箱內微生物的滋生，海洋性食物與化學物品等運載貨物也會給飛機的相應部位帶來一定的腐蝕問題。

腐蝕疲勞指金屬結構受腐蝕介質和疲勞載荷的聯合作用而引起的破壞現象。統計數據表明，飛機結構中有半數以上的破壞形式與腐蝕或腐蝕疲勞有關。

由于具有重量輕、強度好等優越性能，高強度鋁合金已成為航空領域中使用最為廣泛的金屬材料。然而從目前對高強度鋁合金腐蝕疲勞的研究成果來看，鋁合金對腐蝕引起的破壞是敏感的，腐蝕環境往往會使鋁合金結構的疲勞壽命大大縮短。筆者近年來的一項實驗表明，在2.5％的鹽水中，鋁合金材料的疲勞壽命會降低一半以上。

為什么腐蝕環境會加速鋁合金結構疲勞裂紋的形成呢?目前普遍認為其機理包括以下4類中的至少一類：1．點腐蝕，即腐蝕介質會在材料表面形成腐蝕坑，腐蝕坑可使疲勞裂紋提前形成。2．局部變形(包括局部變形導致鋁合金表面膜破裂)會使得結構局部腐蝕電位降低，從而加速金屬的腐蝕。3．鋁與腐蝕介質的電化學反應釋放的氫使得材料變脆，即出現所謂的“氫脆”現象。4．環境介質的吸附作用使材料表面能降低，材料的這種表面能下降使得材料疲勞裂紋的萌生更加容易。

不可忽視的聲疲勞破壞

飛機在使用過程中，發動機通常會發出130～160分貝的噪聲。這種高頻的噪聲不僅可使人們聽力下降，心情煩躁，而且嚴重時還會給處于聲場中的飛機結構帶來破壞，即產生所謂的聲疲勞。事實上，現代飛機的噪聲源除了發動機外，還包括飛機的輔助動力裝置、航炮或火箭發射，以及機體附面層氣流起伏引起的飛行器結構振動等，這些噪聲源以壓力波的形式帶動周圍的空氣振動，山近及遠，將聲波向四周傳播，當聲波遇到飛機結構時，便會在結構上形成聲壓。

盡管聲疲勞引起的結構破壞一股只發生在發動機等高噪聲源附近，具有一定的局限性，但從結構安全角度來講，它仍是一個不容忽視的問題。事實上，聲疲勞同其他由于隨機載荷而產生的疲勞破壞沒有本質上的區別。它同樣可以使飛機的薄板結構因聲致振動而產生破壞；或引起鉚釘松動、斷裂、甚至飛掉；有時還會引起蒙皮撕裂。這些故障都會影響飛機結構的完整性與安全性。為此，美國聯邦航空條例FAR－25部(運輸類飛機適航標準)專門對飛機的聲疲勞問題作了規定；美國軍用規范MIL-A-8893中也針對聲疲勞作了相應的細則要求，并將其強制作為軍用飛機的設計和制造標準。

實踐表明，要提高飛機結構的疲勞壽命，須從材料、設計、工藝、維修等方面同時入手。

[責任編輯] 趙 菲