飛機結構設計思想變遷（三）

飛機設計史上很多的技術進步以及設計理念的演變都來源于飛行事故的教訓和啟發，盡管飛行事故是我們所不愿意看到的。但是我們不得不承認，即使是航空業高度發達的今天，人類對于飛行依然是處于不斷探索的階段。關鍵在于我們可以從這些大大小小的飛行事故中發現問題，總結出癥結所在并想方設法去解決它。

如今，乘坐噴氣式客機出行已經是大眾出行的一種常見方式，但是在二戰后期以及其后的20世紀40、50年代，這還是一件稀罕事。上期文章中提到，在1949年7月27日，世界上第一架噴氣式客機——“彗星（Comet）”號原型機進行了首次飛行。它采用了當時的新技術和新材料，在飛行速度、舒適性、載客人數等方面都代表了當時大型噴氣式客機的最先進水平。這種由英國德·哈維蘭（de Havilland）公司研制的民航客機是世界上第一種以噴氣發動機為動力的民用飛機，這在當時被認為是革命性的。它裝有4臺渦噴發動機，后掠式機翼，速度可達788千米/小時。機體為全金屬半硬殼結構，采用密封機艙，在萬米高空飛行時有著前所未有的平穩性和舒適性。“彗星”的速度優勢也是當時任何使用螺旋槳式客機無法相比的（使用螺旋槳式發動機的DC-7客機巡航速度653千米/小時），從倫敦飛到羅馬只需2小時。“彗星”的出現，使英國成為當時航空界的翹楚。1952年5月2日，當“彗星”Ⅰ型客機投入從英國倫敦飛往南非約翰內斯堡的航班服務時，全世界轟動了。這種高速客機令飛行成為一種奢華的享受。1952年5月，英國海外航空公司的9架“彗星”Ⅰ型客機投入航線運營，標志著民用航空噴氣式時代的到來。

然而，之后在“彗星”客機身上發生的多起惡性事故，斷送了“彗星”客機和德.哈維蘭公司的前途，也促使人們去研究航空結構的金屬疲勞現象，乃至形成安全壽命設計的飛機結構設計思想。

1953年至1954年期間，“彗星”Ⅰ型客機接連發生墜毀事故，導致“彗星”客機停飛。繼“彗星”客機的投入運營引發轟動之后，它的空難再一次轟動了全世界。1954年1月10日，一架英國海外航空公司（BOAC）的“彗星”Ⅰ型客機（航班編號781號）從意大利羅馬起飛飛往目的地英國倫敦。起飛后26分鐘，飛機空中解體，后墜入地中海。機上所有乘客和機組人員全部遇難。“彗星”停飛兩個月后，由英國海外航空公司總裁保證不會出事才恢復飛行。然而時隔不久，1954年4月8號，另一架從羅馬飛往開羅的“彗星”Ⅰ型客機也發生了同樣的空中解體事故。在不到一年的時間里，有3架彗星客機在空中解體墜毀。人們對此議論紛紛，究竟是因為噴氣式飛機飛得大快了，不適合作為民航客機使用；還是因為噴氣式客機飛得太高了，被氣流沖擊損壞；又或者是“彗星”客機本身設計就有問題？后來調查研究顯示，由于“彗星”使用了增壓座艙，對客艙的加壓結構設計經驗不足，長時間飛行以及頻繁起降使機體反復承受增壓和減壓的交變應力而引發金屬疲勞是發生“彗星”Ⅰ型客機解體墜毀事故的原因。據統計，因發生事故而損壞的“彗星”客機中多數是因金屬疲勞以及設計方面缺陷造成的。

我們都知道，在人長時間工作得不到休息或者因為生病就會感覺到疲勞。通俗的說，就是“我累了”！那么，“金屬疲勞”是怎么一回事呢？

世界上第一臺蒸汽機車要比萊特兄弟的“飛行者一號”早出現將近一百年，隨著鐵路運輸的興起和發展，人們發現機車的車軸常常發生損壞，而這些車軸明明是符合設計要求的。但是在滿足靜強度要求的條件下，經過一段時間使用的車軸依然會發生斷裂。原來機車的車軸在運轉中承受著周期性變化的彎曲應力，這種周期性變化的應力稱為“交變應力”。在對交變應力作用下的車軸進行觀察分析后，研究人員發現車軸所能承受的交變應力的大小比其能承受的靜應力要小得多，而這種在交變應力作用下發生失效破壞的現象就叫做“疲勞破壞”。

疲勞破壞的危險要比普通的超重超載所帶來的破壞更加嚴重，因為我們在進行飛機設計的時候，會非常重視飛機結構危險部位的受力狀況和變形情況，不但要通過詳細的計算使得其應力應變水平低于材料的許用應力和最大形變要求，還要在樣機制造出來之后進行靜力加載試驗來驗證設計出來的飛機是否滿足實際使用的要求。但是結構所能夠承受的交變應力卻往往要比其所能承受的靜應力要小得多，就好像一個結構在100Mpa的靜應力加載條件下不會發生破壞，但是在應力幅為20Mpa的交變載荷加載下卻會發生斷裂。有一個經常發生在我們身邊的例子可以很直觀的說明這個現象：當我們想弄斷一根鐵絲而手邊沒有合適工具的時候，我們一般不會用蠻力直接將其拉斷，因為那樣往往費盡九牛二虎之力卻難以奏效。我們往往會在將其截斷的位置往復彎折。這樣不但不費太大的力氣，還能有效地折斷鐵絲。

飛機結構在使用中也不斷承受著交變載荷。從總體上看，飛機每次飛行都經歷著從起飛到著陸的周期性交變載荷作用的過程，在每次從起飛到著陸這樣大的周期內，還包含著許許多多小的交變載荷，這就帶來了飛機結構的疲勞問題。其實在1954年“彗星”Ⅰ型客機接連三次機毀人亡的災難性事故引起世界范圍極大重視之前，就已經發生過很多由于結構發生疲勞破壞而引發的事故。第二次世界大戰前后，約有20架英國“惠靈頓”重型轟炸機發生疲勞破壞；1952年，美國多架F-86“佩刀”戰斗機因為機翼主接頭發生疲勞破壞而連續發生事故。在民機方面，由于服役期限長，正常使用時的應力水平又與設計的最大應力水平接近，情況就更為嚴重。1948年美國“馬丁202”型運輸機失事；1951年英國“鴿”式飛機因翼梁破壞在澳大利亞失事；1953年英國“維金”號飛機也因主翼梁破壞在非洲失事。可見在當時，人們還未能意識到疲勞破壞對于航空器飛行安全的巨大危害。

早期設計的飛機的疲勞問題并不突出，是因為在設計時只考慮了強度剛度要求，但是受限于較低的結構設計水平，留出了較大的強度儲備，安全系數較高，使得飛機在使用中的應力水平甚至低于按現代考慮了疲勞問題而給出的許用應力。這樣，飛機結構的疲勞問題就被掩蓋起來了。然而當航空技術飛速發展，為了使飛機能夠達到更大的速度高度以及更加良好的飛行性能時，就要求結構的重量要盡量輕。隨著靜強度計算得越來越精確、飛機結構設計的水平越來越高、實驗技術越來越先進，飛機靜強度的“儲備”就留得越來越少，疲勞問題就暴露了出來，導致很多靜強度合格但未考慮疲勞問題的飛機發生了嚴重的疲勞破壞事故。這里說句題外話，從這個事情中我們也能夠看到任何事物都是具有兩面性的，結構設計水平的提高帶來了飛機性能的提高，但也暴露出了以前沒有出現的安全問題。開個玩笑來說，就是“算不準”的飛機沒出問題，“算得準”反而出事了！聯想到我國近些年不斷出現的由于超載而引起的路面開裂、橋梁垮塌事故，某種程度上也是因為設計的時候“算得太準了”，設計應力水平和實際應力水平接近，一旦出現嚴重超載大大超出設計承重，就會出現問題。而那些更早時候設計的橋梁因為留出的設計冗余大，反而不容易出事故。當然，豆腐渣工程就另當別論了。

在這些由疲勞問題導致的事故發生以后，大量的分析和研究表明，只按靜強度和剛度設計并不能保障飛機結構的安全。飛機飛行速度的提高、高強度材料的使用、結構強度分析水平的提高都使得疲勞問題日益突出，由此提出了安全壽命設計的飛機結構設計思想。其設計準則為Ne≤Ns＝Nex／Nf。其中Ne為飛機的實際使用壽命，Ns為飛機結構的安全壽命，Nex為結構的疲勞是驗收壽命，Nf為疲勞分散系數。

除了危險的交變載荷外，早期飛機未能在結構設計的時候考慮疲勞問題，在設計一些結構開口，如舷窗、艙門等設施的時候，往往設計成方形等轉角較為尖銳的形狀，沒有采取倒圓角或者橢圓形開口等方法，造成應力集中。這樣，結構在交變載荷下會更加容易出現裂紋而導致產生破壞，“彗星”客機的災難性事故就與此有關。（未完待續）