空難事故中的力學問題

錢天川

摘 要：空難事故往往是災難性的，會造成巨大的人員傷亡和經濟損失。對航空史上的空難事故原因進行分析，發現人為因素和非人為因素都可能導致空難事故;對空難事故中引起飛機破壞本質的力學問題進行探究，指出靜力、沖擊、疲勞破壞是主要的原因;本文結合空難中的力學問題，對飛機設計思想的發展過程進行了總結。

關鍵詞：空難;空難原因;疲勞破壞;飛機設計思想

中圖分類號：V211.15 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0229-02

0 引言

古巴當地時間2018年5月18日，一架古巴航空公司的波音737-200型客機從哈瓦那的何塞·馬蒂國際機場起飛后墜毀，當時飛機上有105名乘客和9名機組人員共計114人，此次空難事故最后造成了111人遇難。失事飛機的兩支“黑匣子”均已找到，而飛機主要的結構和部件都被收集并運到安全的地方進行調查，以確定事故原因。古巴空難事故是最近的一次世界航空史上傷亡慘重的大事故。而最早的一次空難事故，可以追溯到百年以前。1908年10月17日，奧維爾·萊特駕駛自己設計制造的飛機在弗吉尼亞的邁爾堡進行第三次飛行時發生意外，隨機搭載的陸軍中尉托馬斯·賽普里金成為第一位死于空難的人。

自1903年12月，萊特兄弟制造的飛機成功首飛拉開世界航空史的序幕之后，110多年的歷史中，大大小小的空難事故一直伴隨著航空業的發展。而空難事故背后的原因調查以及針對事故原因的不斷改進的設計方法和制造技術，也是推動航空業發展的重要原因之一。論文將主要針對空難事故，分析引發空難的多個原因，然后在此基礎上總結空難事故中主要的涉及力學方面的問題，并對飛機結構設計思想的發展進行探討。

1 空難原因分析

空難，是指各種載人航空飛行器在起飛、飛行或降落過程中，由于人為因素或不可抗拒的原因導致的災難性損失。盡管飛機的安全系數比汽車高，相比于每年死于道路交通事故的百萬余人來講，乘坐飛機也許是更安全的交通方式，然而，一旦發生空難，通常情況下幸存者將寥寥無幾，損失慘重。

總部設在日內瓦的空難檔案局每年初都會對前一年的空難事故進行統計，統計數據表明，空難死亡人數最高的年份是1972年，達到了3346人。而2014年盡管空難事故相對不多，然而一系列大的空難事故使得2014年成了航空災難年，主要包括：馬航MH370航班神秘失蹤，共有227名乘客遇難;馬航MH17航班在烏克蘭東部沖突地區被導彈擊落，共298人全部遇難;亞航QZ8501航班失聯，遇難人數162人，等等。針對眾多空難事故的調查分析表明，引起空難的原因很多，主要分為人為因素以及非人為因素兩大類。

1.1 人為因素所引起的空難

據美國空難數據網顯示，從1950年到2010年全球已得出確切事故原因的上千次空難中，人為因素在事故原因中超過五成。人為因素主要包括恐怖襲擊和人為失誤等，其中人為失誤主要來自于航空管制員、飛行員、維修工程師等。人為因素導致的空難事故中，最廣受關注、影響最大的美國“9.11恐怖襲擊事件”中，被恐怖分子劫持的兩架飛機撞擊紐約曼哈頓的世界貿易中心，導致包括美國紐約地標性建筑世界貿易中心在內的6座建筑被完全摧毀，死亡人數約3000余人，成為世界航空史上最大的恐怖襲擊空難事故。此外，人為操作失誤也是空難的主要人為因素之一。2017年7月17日，發生在巴西孔戈尼亞斯機場的飛機事故就是人為操作失誤引發的。事故主要原因是管制塔臺允許飛機在積水濕滑的跑道降落，結果飛機著陸后由于滑行太快而失控沖出跑道，重新起飛后撞到機場外航空公司的倉庫大樓上發生爆炸，事故造成包括乘客、機組人員、樓內職工和過路行人共約200人喪生。

1.2 非人為因素所引起的空難

非人為因素通常是不可抗因素，包括機械故障、氣候影響、電磁干擾、鳥撞等。由于飛機制造過程復雜，且飛機體積龐大，盡管飛機設計和制造技術不斷提高，但是機械故障所致的飛機事故還是時有發生。機械故障主要包括發動機故障、儀表顯示不正常、液壓系統失靈等。臺灣復興航空客機失事就是發動機故障導致飛機動力不足引起。氣候影響主要包括：雷暴天氣時飛機可能被閃電擊中導致損壞，飛機機翼結冰影響飛機結構氣動特性、濃霧和暴雨影響安全降落條件。2010年巴基斯坦空難就是氣候原因所致，機上152人遇難。電磁干擾是由于飛機上的導航設備和操縱系統被外來電磁波干擾而無法接收地面導航站的電磁信號，導致飛機正常飛行被干擾而引發事故。而鳥撞飛機是由于飛機的高速運動產生巨大的動量，鳥與飛機相撞時由于撞擊時間很短，根據物理學知識，撞擊力將足夠大，從而破壞飛機的局部結構如發動機葉片等。

總的來說，因為種種原因，空難事故總是難以避免，找到空難事故的原因，有助于提前防范從而減少同類事故的發生。

2 空難事故中的力學問題

盡管引起空難事故的原因多種多樣，然而，空難發生時，通常表現為飛機結構的破壞。這種飛機結構的破壞可能是局部的，也可能是整體的;破壞的過程可能是一瞬間的，也可能是漸進的。引起飛機結構破壞的本質問題主要是力學問題。根據破壞的過程和形式，這些力學問題可以分為靜力破壞、沖擊破壞、疲勞破壞三類。

2.1 靜力破壞

飛機結構的靜力破壞通常是飛機某些局部位置承受的應力超過材料的強度極限而導致的一次性破壞。空難史上的第一次事故就是由于螺旋槳出現裂紋后其承載能力下降，導致螺旋槳斷裂而失事。靜力破壞的空難事故很多，如：1989年，美國聯合航空公司811航班在23000英尺高空飛行時前貨艙門突然爆裂，內壓的作用使得整個右前側機體被撕裂;2009年，土耳其航空1951號航班在降落過程中嚴重損毀，斷成三截，主要是結構承載過大所致。

2.2 沖擊破壞

飛機結構的沖擊破壞主要是由于飛機與外部物體之間的碰撞所致。主要來自兩方面，飛機高速運動過程中受鳥撞擊而出現破壞以及飛機低速或高速運動時與其余飛機或建筑相撞而出現破壞。2009年全美航空1549號航班在起飛后90秒攀升到3200英尺后，因鳥擊致使兩個引擎都失去動力而不得不迫降，所幸未造成人員傷亡;而1996年，印度上空的兩架客機相撞就沒那么幸運了，造成了350余人遇難，這也成了航空史上最嚴重的飛機空中相撞事故。

2.3 疲勞破壞

飛機結構的疲勞破壞通常是在遠低于設計容許最大應力的循環應力作用下，飛機結構局部的疲勞源不斷擴展，形成疲勞裂紋，當裂紋擴展到臨界長度時，由于材料凈承載面積下的應力超過材料的極限強度而發生破壞。疲勞破壞是飛機空難事故主要的原因之一。在對眾多空難失事飛機殘骸的檢查中，經常會發現機身金屬疲勞破壞的現象。如1969年F-111戰斗機的破壞就是由于接頭處的半橢圓疲勞初始裂紋擴展所致;1979年美國航空公司的DC-10型客機失事是由于機身上連接引擎和機翼的螺栓因疲勞而折斷，導致引擎爆炸引起的。

3 飛機結構設計思想的發展

空難所造成的破壞是對飛機結構安全最大的挑戰;然而，不管對于民機還是軍機，安全是永恒的主題，是結構設計的基本要求。飛機結構設計思想的發展來源于飛機的使用實踐，同時又受制于當時的科技水平和生產力水平。

早期的飛機結構設計思想要求飛機結構承受的最大載荷必須大于實際承受載荷的一定倍數（又叫做安全系數），即滿足靜強度設計準則;這一設計準則貫穿了整個飛機設計發展史。第一次世界大戰期間出現的飛機機翼顫振問題，使得飛機設計開始關注剛度問題，此時的飛機設計中又加入了變形設計準則和氣動彈性設計準則。

第二次世界大戰后，多個國家相繼出現了飛機結構因疲勞破壞引發的空難事故，其中彗星號飛機的災難性事故最為典型;為了解決這一疲勞破壞問題，安全壽命設計方法被采用。安全壽命設計是以結構無裂紋壽命作為設計目標，而結構中的初始缺陷以及制造缺陷無法避免，飛機結構必然會存在各種損傷，損傷的發展會導致結構破壞，因此，在安全壽命設計的基礎上，破損安全設計思想被發展起來。破損安全設計的思想是設計備用結構，使飛機結構在主傳力結構失效后，由備用結構承擔載荷，以保證飛機結構的安全。然而，由于檢修成本太高，促使了耐久性/損傷容限設計準則的誕生。損傷容限設計承認結構中存在未被發現的初始缺陷，要求在使用過程中的重復載荷作用下，缺陷的增長應控制在一定范圍內，在規定的檢查間隔內，結構滿足規定的剩余強度要求，以便能通過有效的檢查、維修保證結構在使用壽命期內不發生災難性的破壞。目前，耐久性/損傷容限設計思想是各國先進飛機的主要設計思想，各國都頒布了相關的設計標準和設計規范。

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