從事故角度淺談飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計理念及規(guī)章

徐陳斌，孫 蘭

（1.金鵬航空股份有限公司，上海?201323；2.中共上海市浦東新區(qū)委員會黨校，上海?201210）

2017年9月8日，中國民航局在規(guī)章層面印發(fā)了《CCAR121大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則》[1]（對應(yīng)的FAA規(guī)章Subpart AA Continued Airworthiness and Safety Improvements）和相應(yīng)咨詢通告（對應(yīng)FAA AC 120-84 CHG 1 Aging Aircraft Inspections and Records Reviews[2]等）。其中主要內(nèi)容《AC-121-FS-2018-71修理和改裝的損傷容限檢查要求》[3]則明確提出了“損傷容限”的相應(yīng)要求。

雖然FAA規(guī)章Subpart AA早在2007年已經(jīng)生效，但由于運營人所需的檢查或改裝方案一般先經(jīng)OEM設(shè)計審定，再由運營人在交付后完成，所以CAAC規(guī)章也存在從生產(chǎn)至運營的先后實施順序，適用廠家的CCAR-26《運輸類飛機的持續(xù)適航和安全改進規(guī)定》[4]于2011年12日7日施行并在2016年再次改版，而適用運營單位的CCAR121R5則于2017年10月10日施行，維修專業(yè)新增的附件J工作給予已取證的121單位審定緩沖期至2019年12月31日。

筆者作為121航空公司維修從業(yè)人員參與完成了CCAR121單位的維修專業(yè)審定，工作中發(fā)現(xiàn)雖然CAAC對應(yīng)修訂較晚，但業(yè)內(nèi)已經(jīng)在多年前積累了大量實例明確保障航空器結(jié)構(gòu)安全的要點或盲點。為了更好理解規(guī)章，了解規(guī)章制定背后意圖，本文舉例民航史上的三起典型事故，借此回顧航空器結(jié)構(gòu)安全理念的三個階段及目前在CAAC現(xiàn)行規(guī)章的相應(yīng)落實條款。

1???安全壽命 Safe?Life—“以退役保障安全”???Safety-by-Retirement

民用航空運輸業(yè)在發(fā)展之初就引入了安全壽命（Safe Life）的理念，即 “Palmgren-Miner累積損傷準(zhǔn)則”（Palmgren-Miner accumulated fatigue damage rule）：在試驗中對材料施加不同的負(fù)載獲取S-N（應(yīng)力-周期）曲線，以預(yù)測其結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

以英國航空公司“彗星1”客機（Comet 1）為例，其在設(shè)計和取證之初應(yīng)用了安全壽命的理念。但在運行中，該航空器仍然發(fā)生多起機毀人亡的事故，其中最為典型的是墜毀在意大利的“彗星1”事故。通過分析報告，人們發(fā)現(xiàn)“安全壽命”理念中所存在的缺陷。

通過機身殘骸的收集，事故報告判定主因是位于ADF天線角落處的蒙皮裂紋。經(jīng)過一系列分析調(diào)查，人們認(rèn)為該機型在結(jié)構(gòu)上存在兩大缺陷。

（1）由于當(dāng)時增壓艙屬于新穎設(shè)計，對于承受艙壓的蒙皮結(jié)構(gòu)，飛機在蒙皮上采用了矩形的窗戶、天線開口設(shè)計，導(dǎo)致角落處的應(yīng)力快速集中，見圖1。

（2）經(jīng)過多次起降，飛機增壓區(qū)艙體結(jié)構(gòu)反復(fù)承受增壓和減壓，艙體產(chǎn)生額外的金屬疲勞，最終導(dǎo)致實驗室中靜強度得出的安全壽命數(shù)據(jù)不再有效。

圖1 “彗星1”ADF蒙皮應(yīng)力示意

這起事故中，飛機設(shè)計明確“安全壽命”的不足：由于用于試驗材料都處于“精挑細(xì)選”的完美狀態(tài)，但航空器實際制造時卻無法避免初始裂紋的預(yù)先存在。而在材料試驗中，產(chǎn)生初始裂紋（Crack Initiation）的周期占據(jù)全部裂紋“生長”（安全壽命）的90%以上，這兩者致使實驗室得出的安全壽命不可信。

雖然“以退役保障安全”的理念無法作為飛機，特別是疲勞關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計理念，但“安全壽命”的概念目前仍具體應(yīng)用在規(guī)章中。

1963年FAA發(fā)布了民用航空條例CAM（Civil Aeronautics Manual）4b.270（a）[5]和 FAA 現(xiàn)行的規(guī)章 FAR25.301[6]，提出航空器在設(shè)計壽命內(nèi)應(yīng)滿足一定結(jié)構(gòu)強度。CCAR-25R4第25.571條同樣以適航標(biāo)準(zhǔn)的形式，明確要求服役壽命期內(nèi)（DSG/LOV設(shè)計使用目標(biāo)/有效性限制），相應(yīng)機型應(yīng)能夠承受預(yù)期的變幅重復(fù)載荷作用，且沒有可察覺的裂紋，即WFD廣布疲勞損傷。

以波音飛機為例，在1988年發(fā)生阿羅哈航空B737-200型飛機事故后，波音廠家發(fā)布了MOM-MOM-15-0470-01B（R1）[7]，明確相應(yīng)航空器在超出LOV后，現(xiàn)有的維護和檢查方案不能夠可靠地排除結(jié)構(gòu)中存在著的廣布疲勞損傷，波音也不再為超過LOV值的相應(yīng)飛機提供支持。相關(guān)MOM信息后續(xù)又進一步加入波音“AIRWORTHINESS LIMITATIONS（AWLs）AND CERTIFICATION MAINTENANCE REQUIREMENTS（CMRs）”。

目前，“安全壽命”作為普適性的要求被留存下來，用于整體機身的使用限制以保障機身上的結(jié)構(gòu)部件不產(chǎn)生大的變化的期限數(shù)據(jù)。

持續(xù)適航理念認(rèn)為，航空器是沒有壽命限制的，但是在疊加了廣布疲勞及其經(jīng)濟性的概念后，持續(xù)適航的代價需要極大的投入和維護成本。正因如此，2018年《AC-121-FS-2018-71修理和改裝的損傷容限檢查要求》[3]中明確：除非獲得局方認(rèn)可，否則對于航空公司不得超出LOV/DSG繼續(xù)實施航空器運行。以當(dāng)前我國的民航監(jiān)管和技術(shù)環(huán)境，該數(shù)值實質(zhì)上在CCAR121等航空器運營層面成為機型運營安全壽命的限制依據(jù)。

2???損傷安全 Fail?Safe—“以設(shè)計保障安全”?Safety-??by-Design

基于“安全壽命”的不確定性，F(xiàn)AA在1953年12月31日發(fā)布的CAM 4b.270（b）中提出，在結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，提供另一種對飛機結(jié)構(gòu)的評估方式，即“損傷安全”（Fail Safe）”。其總體理念為對于疲勞強度總要求中，對于主要結(jié)構(gòu)元件（principal structural）增加了在主要結(jié)構(gòu)失效后，其余結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠承受相應(yīng)的飛行載荷（靜載荷乘以相應(yīng)系數(shù)）的要求。

這類“損傷安全（Fail Safe）”的設(shè)計理念，在后續(xù)進一步擴展至飛機其它系統(tǒng)的設(shè)計。FAA在1988年發(fā)布的系統(tǒng)設(shè)計和分析AC 25.1309-1A條款要求通過設(shè)置冗余或備份系統(tǒng)（Randundant or backup systems）的方式，對飛機上故障后妨礙持續(xù)安全飛行和著陸的系統(tǒng)提出了設(shè)計要求。至此，業(yè)內(nèi)明晰了“以設(shè)計保障安全Safety-by-Design”的設(shè)計理念。

然而，相應(yīng)的不安全事故繼續(xù)發(fā)生：1977年，注冊號B-BEBP的一架波音707-321C貨機由倫敦起飛，經(jīng)停羅馬和內(nèi)羅畢，計劃在盧薩卡（贊比亞首都）國際機場降落。在降落時右水平安定面和舵面突然分離，飛機墜毀在跑道附近3660m處，機組人員全部遇難。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這架飛機于1963年出廠，墜毀時總飛行16723CYs，總飛時47621FH，機齡雖然達到14年，但并沒有超過飛機的設(shè)計使用目標(biāo)（707DSG為20000CY）。最終調(diào)查報告[8]指出，右水平面的一系列不完善的設(shè)計理念導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

首先發(fā)現(xiàn)的是“損傷安全”在設(shè)計理念上的過度理想化。作為707-300的前身，707-100的設(shè)計中已體現(xiàn)了“損傷安全”（多余度）設(shè)計理念：后梁使用了“上下雙連接銷attachment pins”設(shè)計。試驗跡象表明，哪怕在動態(tài)飛行中，上連接銷突然失效的情況下，下連接銷和前梁依然能夠承載本次的降落所需負(fù)荷。

707-300延續(xù)了這一設(shè)計，但由于負(fù)載增大，為了繼續(xù)滿足上連接銷失效后的“余度設(shè)計”，增加了中弦桿（centre chord）及其連接銷。由于中弦桿的主要作用是上連接銷破損后的應(yīng)急狀態(tài)下使用，所以為了保障在正常狀態(tài)下該備用結(jié)構(gòu)不承受載荷（防止提前產(chǎn)生裂紋），設(shè)計方為此調(diào)節(jié)了上下弦桿的松緊配合。問題就出現(xiàn)在這一未經(jīng)過充分和正確評估的載荷的傳載路徑上，由于707-300的加強蒙皮后承載了額外的彎曲載荷及中連接銷和下連接銷存在，其產(chǎn)生了和707-100完全不同的載荷傳遞和局部應(yīng)力行為。在這架墜毀的703-300的實際飛行中，上連接銷并未直接失效，而是先產(chǎn)生了變形?；谶@種變形，中連接銷和下連接銷提前開始承受額外載荷。在這樣的高負(fù)載環(huán)境下，緊固件沒有達到應(yīng)有的“高剪切”強度要求，以至于最終產(chǎn)生了裂紋。

根據(jù)材料分析推斷，在事故發(fā)生前相關(guān)部件帶裂紋飛行了約7200次，這條“提前出現(xiàn)”的裂紋最終導(dǎo)致“多余度”設(shè)計中冗余或備份系統(tǒng)（Randundant or backup systems）和主要結(jié)構(gòu)元件（principal structural）在相對應(yīng)的維修項目到期前提前共同失效。

其二，被調(diào)查人員判定為事故原因之一的，是707-300在設(shè)計認(rèn)證流程上的缺陷。

波音在707-100的原始設(shè)計機型取證數(shù)據(jù)中，后翼梁的上弦（upper chord）安全壽命為240000次飛行循環(huán)。疲勞試驗和跡象表明，在相應(yīng)的安全壽命內(nèi)，即使在后翼梁的上弦失效的情況下，其余結(jié)構(gòu)仍能夠承載飛行載荷，直至按MP實施下一次維修項目時被檢查發(fā)現(xiàn)，得出飛機設(shè)計能夠滿足設(shè)計目的和使用要求的結(jié)論。

而在707-300設(shè)計工作中，沒有人意識到兩個機型的載重差異產(chǎn)生的骨牌效應(yīng)：由于前期波音完成了對安定面翼梁端頭的一體化延展設(shè)計以避免截面的突變。因此前期普遍認(rèn)為已改善了一定性能。設(shè)計后期，由于707-300較707-100機型載重更大，初始試驗中發(fā)現(xiàn)額外的載重導(dǎo)致安定面扭轉(zhuǎn)剛度（torsional stiffness）不足。在基本的靜強度分析后，工程師將上下蒙皮進一步改為不銹鋼材質(zhì)以彌補這一問題。

在調(diào)查報告[8]中，調(diào)查人員認(rèn)為設(shè)計人員沒有意識到這一改進設(shè)計在提高靜強度的同時，卻降低了整體的疲勞強度，即加強的蒙皮結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較高的表面蒙皮載荷，致使緊固件的載荷升高，最終轉(zhuǎn)移至后翼梁根部。

通過該案例了解到，航空器設(shè)計廠家的設(shè)計方案和理念對航空器安全會帶來關(guān)鍵影響?，F(xiàn)階段規(guī)章中，生產(chǎn)階段適用的CCAR-25 《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》、CCAR-26《運輸類飛機的持續(xù)適航和安全改進規(guī)定》和本次下發(fā)的適用于運營階段的《AC-121-FS-2018-71修理和改裝的損傷容限檢查要求》[3]，分別從在兩個方向明確生產(chǎn)設(shè)計廠家的持續(xù)技術(shù)支持在保障航空器整個壽命周期結(jié)構(gòu)安全的重要性。

在航空器交付之后，為了能持續(xù)落實設(shè)計時各項要求（如MRBR、燃油箱持續(xù)適航、EWIS等），保障航空器安全的責(zé)任重心從廠家設(shè)計同步衍生轉(zhuǎn)移到運營單位。本次CCAR121R5持續(xù)適航和安全改進的重點內(nèi)容，基于“損傷容限damage tolerant：以檢查保障安全Safety-by-Inspection”，也正式揭開面紗。

3???損傷容限 damage?tolerant—“以檢查保障安全”???Safety-by-Inspection

在一系列航空事故后，人們發(fā)現(xiàn)，無論是基于“安全壽命”還是“損傷安全”，都太依賴于原始設(shè)計中的分析和判斷。例如盧薩卡事故的調(diào)查人員同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時的維修檢查項目已經(jīng)存在針對該部位的檢查，但沒有明確的檢查要求，該缺失也被判定為事故原因之一。

在這樣的大背景下，業(yè)內(nèi)提出了基于“以檢查保障安全Safety-by-Inspection”的“損傷容限damage-tolerant”理念。

在這一理念中，認(rèn)為材料是不完美的，無論是出廠就存在的裂紋或在運營中產(chǎn)生的裂紋，都應(yīng)當(dāng)評估相應(yīng)部件在使用負(fù)荷下裂紋的生長速度，并計算裂紋生長到臨界點的相應(yīng)時限（Inspection Threshold），并安排人員實施檢查及后續(xù)的重復(fù)檢查（Repeated Inspection Interval）（如首次未發(fā)現(xiàn)），如圖2所示。

《AC-121-FS-2018-71修理和改裝的損傷容限檢查要求》[3]最主要的要求就是要求運營人在發(fā)現(xiàn)航空器損傷后，均需要完成損傷容限分析，對適用的修后部件提供檢查的期限和具體方案，并將檢查要求落實到運營人維修方案并獲得局方的批準(zhǔn)。

圖2 損傷容限檢查時限示意

雖然已經(jīng)將保障安全的節(jié)點從設(shè)計方下延到了運營和維修單位，但在這樣的理念下，還是發(fā)生了華航CI611航班747-200的事故。

2002年，華航B-18255在執(zhí)行定期航班CI611時發(fā)生高空解體墜毀，事件主因是1980年某次降落時擦尾損傷的修理未嚴(yán)格按照SRM手冊完成。修理的不規(guī)范導(dǎo)致該部分產(chǎn)生了金屬疲勞裂紋。

但根據(jù)B-18255事故報告[9]的分析和判斷，在1980年首次不規(guī)范修理之后，該修理的重復(fù)檢查人員和公司工程管理同樣存在過錯。

在1988年阿羅哈航班之后，波音頒發(fā)了對于機身增壓區(qū)域的額外檢查要求，內(nèi)容包括CPCP檢查和SIP檢查。而華航事故飛機分別在1993年、1998年完成覆蓋該區(qū)域的CPCP檢查，而遺憾的是檢查人員未能發(fā)現(xiàn)該裂紋。

除了未能直接發(fā)現(xiàn)損傷，檢查員還發(fā)現(xiàn)這架飛機在維護上存在工程管理問題：

（1）如圖3所示，該架飛機的維修方案CPCP53-12-01對于艙底的檢查所要求的間隔為4年，但在上一輪檢查推遲了13個月，詫異的是適航當(dāng)局也并沒有批準(zhǔn)過該推遲計劃。

（2）飛機維修記錄上標(biāo)明了部分部件被更換，但沒有標(biāo)明部件的件號和其它記錄；機械師報告了一些損傷項目，但并沒有具體標(biāo)明損傷項目具體數(shù)量。

（3）調(diào)查未能查閱到部分超過20年的維修記錄，而按照法規(guī)這些記錄應(yīng)當(dāng)是被保存的。

圖3 B-18255飛機未經(jīng)批準(zhǔn)的CPCP項目延期

（4）2001年，當(dāng)時的維修單位CAL對這架飛機的外部結(jié)構(gòu)修理進行了一次評估，評估結(jié)果顯示，在該補丁下可能存在結(jié)構(gòu)損傷（an indication of a possible hidden structural damage beneath the doubler）。但可能是由于維修記錄不完整的原因，該次評估未能及時讓維修單位關(guān)注到該修理并采取措施。

針對以上問題，事故調(diào)查人員認(rèn)為，運營人和維修單位存在相應(yīng)責(zé)任。在本次附件J和相應(yīng)支持性咨詢通告的條款中，可以發(fā)現(xiàn)對于以上問題的逐條要求：

針對類似華航偏離維修方案的情況，《AC-121-FS-2018-65-R1 航空器結(jié)構(gòu)持續(xù)完整性大綱》[10]附錄1 2.4 明確了對于CPCP項目不超過10%的延期限制。

針對類似華航提供的維修記錄有缺失的情況，《AC-121-FS-2018-59-R1飛機維修記錄和檔案》[11]附錄對結(jié)構(gòu)維修記錄提出了具體要求，運營人應(yīng)對損傷的位置、損傷情況、修理依據(jù)做出詳盡記錄并作為單機檔案予以保存。

針對運營人雖然注意到不規(guī)范修理，但由于維修不完全導(dǎo)致無法完整評估的情況，《AC-121-FS-2018-71 修理和改裝的損傷容限檢查要求》[3]附錄2 要求，對于涉及可能不滿足最低要求的修理，運營人必須在發(fā)現(xiàn)后的首次飛行前采取糾正措施。

針對工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)變化導(dǎo)致的歷史遺留問題，《AC-121-FS-2018-69飛機檢查和記錄審查》[12]5.1和5.2要求，運營人必須在首次檢查之后，每隔7年完成一次航空器檢查和記錄審查，以確保運營人的維護是充分與及時的。

4??結(jié)語

基于事故鏈理論，所有事故都不是單一問題的失效產(chǎn)生的。但對于事故進行分析，仍然能夠找到最脆弱、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，并通過分析予以最有效的改善。

飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，從一開始“以更換保障安全”的“安全壽命”理念推行后，發(fā)生了“彗星1”事故，人們了解該理念是建立在完美的材料上，并不能體現(xiàn)航空器制造過程中不可避免的細(xì)微缺陷，進一步推出以增加余度的方式繼續(xù)提高安全性。

在“以設(shè)計保障安全”的“損傷安全”理念實施后，人們從“盧薩卡”事故中得到教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)多余度的設(shè)計理念在實際運行時，本應(yīng)當(dāng)作為備份結(jié)構(gòu)的設(shè)計達不到設(shè)想中的結(jié)果。而在極端狀態(tài)下，備用結(jié)構(gòu)甚至一定程度上影響了維修人員在主結(jié)構(gòu)損傷的窗口期發(fā)現(xiàn)問題。

目前有效和推廣的“以檢查保障安全”的“損傷容限”理念，也是本次121附件J及其相應(yīng)規(guī)章的主要內(nèi)容，要求運營人應(yīng)用設(shè)計和檢查相結(jié)合的方式，即從設(shè)計方獲取損傷容限的檢查點，并由維修單位實施檢查工作。這一理念是已知的保障航空器結(jié)構(gòu)安全的有效理念，但從華航B-18255事例中不難看出，后續(xù)檢查過程中，“維護中的檢查是否有效”將承擔(dān)極大的壓力，是該理念所存在的憂患。

FAA政策中，檢查人員在執(zhí)行結(jié)構(gòu)非破壞性檢查時，需要滿足“95%、90%”的要求：即檢查人員對100件裂紋樣本檢查時，應(yīng)當(dāng)至少能夠檢查出90件；同時在100次這樣的試樣中，達到上述檢出率的次數(shù)不低于95次。

中國民航局馮正霖局長多次召開安全工作會議，所提出的“三基”建設(shè)要求民航從業(yè)人員無論是什么單位，都應(yīng)當(dāng)在基層、基礎(chǔ)、基本功上真正下功夫[13]。歸結(jié)到航空器結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和CCAR-121R5規(guī)章要求上，當(dāng)獲得檢查的機會和要求，卻由于檢查方式落后或檢查人員的能力不足，導(dǎo)致運營人錯失發(fā)現(xiàn)和糾正問題機會，這樣的教訓(xùn)值得警醒。

業(yè)內(nèi)除了關(guān)注121運營人如何在工程管理方面滿足局方規(guī)章的要求，更需要關(guān)注如何扎實提升145維修單位維修人員的能力，研究如何將工程管理要求通過維修管理落實到航空器結(jié)構(gòu)安全工作中。規(guī)章中的“持續(xù)適航和安全改進”相關(guān)內(nèi)容，既是121單位在R5審定中需要注意的要點，也將會是日后145單位及業(yè)內(nèi)推進“三基”建設(shè)的切入和落腳點。