Cessna172飛機主起落架多發性故障及原因分析

陳 亮 趙晨迪

（中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618307）

0 引言

Cessna172飛機采用全金屬機身結構、前三點式起落架和上單翼設計，其主起落架為不可收放的管簧式或板簧式固定結構，管簧式起落架的主體結構是一彎折成Z字型的彈簧鋼管，如圖1所示，板簧式起落架的主體結構是一彎折成Z字型的彈簧鋼板，兩種結構的起落架均結構簡潔、維護簡單、可靠耐用，既充當承力結構，也是吸能結構[1]。左、右主起落架分別用螺栓固定在機身底部，其下部外側連接了一個鑄鋁機輪組件和鋼制圓盤式剎車系統，為防止剎車油管、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。經分析，兩種主起落架材質為6150M彈簧鋼，性能與國內50CrVA鋼相近，在國外被廣泛用于制造輕型飛機固定式起落架。

圖1 Cessna172飛機

1 主起落架多發性故障特點

1.1 美國

通過查詢美國聯邦航空局（Federal Aviation Administration，簡稱FAA）航空器使用困難報告數據庫（Service Difficulty Report，簡稱SDR）[2]，收集到228條與Cessna飛機起落架系統有關的SDR報告，SDR故障報告日期在1995年5月至2022年7月，其中214條與可收放起落架有關，14條與不可收放起落架有關，數據分析如圖2所示。進一步分析11個機型出現的多條不可收放起落架出現的故障數據發現：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起為主起落架與機身處的連接螺栓松動或安裝襯套損傷（其中4起明確發生在右主起落架），1起為主起落架輪軸缺乏潤滑，1起為重著陸導致主起落架折斷，沒有Cessna172飛機起落架的故障信息。基于美國通航業高度發達、輕型飛機飛行小時數達近百萬小時來折算，Cessna飛機裝用的兩種一體式不可收放起落架可靠性較高。

圖2 FAA SDR數據分析

Cessna飛機公司針對1946—1986年生產的145 000架單發、鋁制全金屬飛機，基于對全球用戶歷年反饋的主要故障及原因的分析結果，于2016年發布了Cessna Single Engine Safety Initiative報告，見文獻[3]。報告指出：由于這些飛機的平均使用年限達到42年，屬于老齡飛機，因此多發性故障主要是腐蝕和疲勞導致的各種結構部件失效及損傷，其中主起落架的多發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腐蝕的主要位置是腳蹬處，圖3（b）展示了一架因為點蝕而萌發了疲勞裂紋，最終導致主起落架折斷、飛機嚴重受損的案例。

圖3 Cessna飛機公司提供的故障案例

飛機設計思想的發展過程一般分為五個階段：第一階段為靜強度設計階段，第二階段為靜強度和剛度設計階段，第三階段為強度/剛度/疲勞安全壽命設計階段，第四階段為強度/剛度/損傷容限和耐久性設計階段，第五階段為結構可靠性設計試用階段。Cessna172飛機在1955年11月取得FAA頒發的TC，其結構設計處于靜強度和剛度設計階段，沒有考慮到疲勞對結構的壽命影響，因此，在2011年以前，Cessna飛機公司對其Cessna172系列飛機沒有規定使用壽命限制，比如飛行小時壽命、飛行起落壽命、飛行年限壽命。

在收到澳大利亞等用戶報告的多起腐蝕故障后，Cessna飛機公司于2011年8月發布了針對Cessna系列飛機的補充檢查項目（Supplemental Inspection Document，簡稱SID），要求用戶針對不同使用年限、飛行小時的飛機結構進行定期檢查。十年間，SID項目從最初的23項已增加到目前的32項。2015年6月，Cessna飛機公司在飛機維護手冊第五章《補充結構檢查》的說明部分中明確：推薦用戶將累計使用時間達到30 000 h后的Cessna172飛機退役。究其根本原因，還是老齡飛機不可避免地面臨腐蝕和疲勞問題，在腐蝕和疲勞的雙重作用下，飛機重要結構的損傷概率大增。

1.2 澳大利亞

澳大利亞四面環海，約70%的國土屬于干旱或半干旱地帶，中部大部分地區不適合人類居住，而沿海城市人員密集、旅游業非常發達，比如悉尼、布里斯班、珀斯、凱恩斯，因此絕大部分單發飛機在上述典型海洋氣候的地區飛行，澳大利亞成為單發飛機腐蝕故障發生率較高的國家之一。

澳大利亞民航安全管理局（Civil Aviation Safety Authority，簡稱CASA）是全球較早強制要求用戶執行SID項目的管理機構之一，于2014年4月發布AWB 02-048 issue1-Compliance with Cessna SIDs，目前已更新至Issue8，見文獻[4]。該報告專門針對Cessna系列飛機執行SID而發布，其指出：Cessna系列飛機結構檢查項目是通過結合現代工程分析技術、全球服役數據和塞斯納幾十年來收集的缺陷報告而制定的。在澳大利亞Cessna機隊中的常見故障是結構腐蝕，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 澳大利亞用戶發現的主起落架腐蝕

1.3 中國

從文獻[5]可以看出，國內329架Cessna172飛機主要由中國民用航空飛行學院、湖北蔚藍航校、山東九天國際飛行學校、山東南山飛行學校、廣西梧州中航飛校、四川龍浩飛行學校等機構運行，運行環境復雜。

2006年，中國民用航空飛行學院引進的100架Cessna172R飛機開始陸續投入使用，年均飛行小時達到1 200～1 500 h后，每小時起落架次達到2.5個，而國外用戶年均飛行100～150 h，每小時起落架次不到1個。由于使用率高、起落架次高，加上飛行訓練中著陸過載較大時有發生，因此機隊在使用8 000 h后，普遍出現了結構上的一些故障，比如FS108號隔框裂紋，后續分析系疲勞所致。中飛院將運行中發生的各類故障均及時反饋給Cessna公司，得到其高度重視，并于2011年派出資深結構工程師到中飛院現場研討。

對中國民用航空飛行學院2006—2021年Cessna172R飛機故障進行統計，得到以下數據：發生主起落架與機身處的安裝襯套松動或異常磨損故障96起，主起落架腐蝕超標123件（涉及83架飛機）。

2 典型多發性故障失效機理分析

2.1 主起落架腐蝕

Cessna172飛機主起落架通過表面漆層來防腐，但是在運行中發現漆層會被破壞，主要原因如下：首先，飛機登機腳蹬設計不合理。腳蹬通過過盈配合直接套在主起落架上，這種設計在安裝時不可避免地會損傷主起落架表面的漆層，同時還不能完全將水汽阻斷。另外，此處為方便安裝整流罩，又采用開口設計，飛機在運行中會很快形成水分和雜質集聚區。

2.2 主起落架襯套松動

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

在此基礎上，中飛院進行了襯套結構反求設計、原裝件材質分析、原裝件工藝分析等一系列研究，選定了國產替代材料。

對自制國產部件進行尺寸檢查及各種試驗驗證并裝機試驗，試驗數據表明，國產襯套除使用壽命略短于國外原裝件外，其余性能與國外原裝件相當，能滿足裝機使用要求。

3 維護建議

（1）關注腳蹬區域防腐。針對腳蹬設計缺陷，應仔細檢查腳蹬與主起落架貼合處有無腐蝕，如有，需通過噴丸徹底清除腳蹬內壁和主起落架上的腐蝕，再噴涂上飛機維護手冊規定的底漆和面漆，隨后在腳蹬與主起落架結合區域涂抹防腐膠。同時在腳蹬開口處加裝擋片，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的環境中，主起落架表面特別是部件結合面在運行中會聚集灰塵、油脂等臟物形成沉積層，沉積層能吸收空氣中及維護時的水分和酸性物質，進而形成酸性環境，導致金屬部件出現腐蝕。因此，日常維護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，發現漆層破損要及時修補，發現腐蝕要及時按照規定程序處理。