从安全寿命到损伤容限——飞机结构设计的观念变化与演进

从安全寿命到损伤容限——飞机结构设计的观念变化

与演进

提要

飞机结构的设计，必须在性能、安全、成本三者间取得平衡。自1903年莱特兄弟发明飞机后，伴随着重大的飞机失事教训，飞机结构设计观念也历经多次的修改。最早仅考虑材料静力强度；20世纪30年代后为采用线性疲劳观念的“安全寿命”，经过50年代的“彗星”客机和B-47坠毁后，改进为“破损安全”；而70年代发生的波音707及F-111事件，则使得“损伤容限”成为现今的标准结构设计准则。1988年发生的阿罗哈航空事件，则揭示了散布型疲劳损伤成为“损伤容限”结构设计的新课题。

前言

1903年莱特兄弟（Wright brothers）发明飞机后，飞机工业正式诞生。早期飞机的标准构型是双翼机（biplane），机身和机翼采用桥梁的衍架（girder）设计，机翼内有多根木制的翼梁（spar）和翼肋（rib）直交（orthogonal）摆置，外层再包上帆布。上下机翼间以木条和钢索做为垂直支撑，以维持机翼在气动载荷下不致弯折破坏；机身则是木盒状衍架（box-girder）设计，对角线加上钢索以维持机身的刚硬（rigidity）。此时的飞机大都用做探索性能的实验机，结构疲劳寿命完全未列入考虑。

众所周知，战争是新科技的最佳催化剂，第一次世界大战促成了发展更快、更强、更可靠的飞机，战争期间共生产了约15万架飞机，绝大部分是使用木头和帆布制造。因此到大战快结束时，木头的供应已接近枯竭，使用材料不得不转向金属。大战末期出现了焊接的钢制机身，以及悬臂式（cantilever）单翼机（monoplane），机翼内翼梁数量减少，只剩几根主梁，但强度和劲度都足以承受机翼全部的气动载荷，也不再需要钢索来加强。

第一次世界大战中英国著名的“骆驼”（Camel）战斗机，是标准的双翼机构型静力强度

由于当时金属材料极富韧性（ductility），结构设计方法很保守，因此结构的安全裕度（Margin of Safety）相当大。加上这些飞机主要用于军事用途，在结构遭遇疲劳问题之前，飞机早就因为失控、发动机失效、大动作使机翼或机身突然解体而坠毁了，因此结构疲劳寿命不是此时的设计重点。结构设计只要满足材料静力强度（Static Strength）就不会有问题，结构分析则以全机静力试验为佐证，试验负载是飞行负载乘以一个安全系数，以计入如负载不确定、结构

分析不准确、材料性质变异、制造质量变异……等不确定因素。

早期飞机实施静力试验的情形

第二次世界大战期间，飞机的喷气式发动机技术发展最快，1944年出厂的德国Me 262喷气式战斗机是全世界第一架采用喷气式推进的飞机。同时期飞机的制造技术也大有进步，不过大多数飞机都是被敌机击落的，结构疲劳寿命仍然不是众人关心的焦点。

第二次世界大战后，为了减轻机体重量以提升飞行性能，在材料静力强度主导结构安全的思想下，一些强度高但韧性低的金属材料开始出现在飞机结构上。只是此时的喷气式客机飞行速度已非昔日可比，军机在低空飞行任务中还会遭遇到强大的气动扰流，结构气动载荷直线上升，结构应力大增，降低了结构安全裕度，造成一些飞机往往在服役初期就因结构疲劳破坏而纷纷坠毁，昭告世人材料静力强度已不足以保证飞机结构安全。

1954年英国航空公司（British Overseas Airways Corporation）“彗星”1客机（Comet 1）的连续失事，正式就飞机结构疲劳隐忧向世人敲响了第一记警钟。

“彗星”1客机事故

由英国德哈维兰公司（de Havilland）设计制造的“彗星”1可搭载乘客36人，巡航高度10,700米，巡航时速720公里，航程4,000公里，是全球第一架高空喷气式民航客机。“彗星”1的巡航高度是同时期其它客机的两倍，而舱内气压则设定在2,400米的高度，使得机内外气压差也几乎是当时普通客机的两倍，因此在出厂前特别经过18,000次加压测试以确保结构的安全。

“彗星”1的构想孕育于1943年，于1946年9月开始设计，1949年7月27日第一架原型机首飞，英国航空公司从1952年5月2日起提供“彗星”1定期航班服务。“彗星”1服役后不久就事故不断，数起起飞时失事归咎于驾驶员对新飞机不够熟悉，而1953年在佳尔各答（Calcutta）西南方50公里处的空中解体，则归因于高空暴风雨。但在1954年发生的另两起空中失事，则完全显示了其结构设计有重大瑕疵。

1954年1月10日，一架已飞行1,286架次、3,680飞行小时的“彗星”1，从新加坡飞往伦敦，从最后停靠站罗马再度起飞后半小时爬升到约8,100米的高度时，早天候良好的情况下机身解体并有部分起火燃烧，坠落在意大利厄尔巴岛（Elba）畔的地中海。事发后“彗星”1机队立即停飞，德哈维兰公司在无法迅速捞起机体残骸的情况下评估了可能的失事原因后，对机体进行了一些改进，并于1954年3月23日获得复飞许可。

但在复飞仅16天后的1954年4月8日，又一架已飞行903架次、2,703飞行小时的“彗星”1执行从罗马飞往开罗的任务。在起飞约半小时，估计已爬升到最高巡航高度时突然完全失去联络，稍后在意大利南部那普勒斯（Naples）畔的地中海发现飞机残骸。事发后“彗星”1机队再度立即停飞，英国运输和民航部（Ministry of Transportation and Civil Aviation）在4月12日撤销“彗星”1的适航认证。

从地中海捞起的第一架“彗星”1失事残骸

第二起失事后英国用一架已经历1,221加压架次、3,539飞行小时的机体进行舱压模拟试验。试验机体的客舱和驾驶舱被放置在一个特制水槽内，机翼外露于水槽外以液压方式施加仿真气动载荷，舱体内部以水压模拟舱压。如果以气压模拟舱压，一旦舱壁产生小裂纹，舱体内外压差导致的舱压急速向外泄放，就如同一枚500磅炸弹在舱体内爆炸，舱壁会四散爆裂飞溅。水是不可压缩流体，可避免发生这种情况。试验机体经过1,825次的加减压，机身左侧一扇窗户的角落蒙皮长出疲劳裂纹0.2厘米后，瞬间延伸达2米使机身断裂，证实“彗星”1的机体结构疲劳强度不足。

“彗星”1的水槽试验

裂纹发生的原因是蒙皮太薄。“彗星”1安装4台德哈维兰发动机公司（de Havilland Engine Company Limited）生产的“幽灵”（Ghost）涡喷发动机，由于当时的喷气式发动机仍在起步阶段，为了减轻机体重量以弥补推力不足，“彗星”1机身蒙皮厚度只有0.07厘米，窗户边蒙皮加厚到0.09厘米，薄蒙皮在舱压作用下的应力（stress，单位面积承受的负载）居高不下，而窗户角落的应力集中（Stress Concentration）效应使高应力情况更加恶化，最后导致产生疲劳裂纹。