航空材料:沉重的“肉身”?-中國民航網(wǎng)
2012年新年伊始,剛剛才消停一陣的空客A380再次成為人們茶余飯后的談資。但這一次,將“空中巨無霸”推到風(fēng)口浪尖的并不是中國第二架空客A380飛機(jī)的到來,而是一條不折不扣的負(fù)面消息。據(jù)國外媒體報道,從1月初開始,陸續(xù)有數(shù)架空客A380飛機(jī)在檢查中發(fā)現(xiàn)機(jī)翼翼肋與蒙皮間的連接件存在細(xì)微裂縫,因此歐洲航空安全局(EASA)要求航空公司對起降次數(shù)在1800次以上的空客A380客機(jī)進(jìn)行緊急檢查。
鋼筋鐵骨的飛機(jī)為什么會出現(xiàn)裂縫?會對飛行安全造成影響嗎?問題的答案可能有很多,但相信無論是哪位專家的高見,航空材料之于飛行的重要作用都會毫無疑問地成為其中的主要內(nèi)容。實(shí)際上,正是由于航空材料的不斷創(chuàng)新,才造就了一代又一代新飛機(jī)的誕生,才成就了如今民航運(yùn)輸業(yè)整體安全水平的大幅提高。
“巨無霸”與小裂紋
航空材料須承受安全之重
在不久前的一份聲明中,空客公司承認(rèn)選材不當(dāng)和設(shè)計缺陷是導(dǎo)致空客A380機(jī)翼內(nèi)部零件出現(xiàn)裂紋的主要原因,并且一再強(qiáng)調(diào)這些裂紋無礙飛行安全,可以通過例行檢修得以解決。但顯然部分公眾對此并不買賬,澳大利亞一些飛機(jī)工程師日前就聯(lián)合呼吁立即停飛所有空客A380飛機(jī)。
北京航空航天大學(xué)飛機(jī)設(shè)計專家黃俊基本贊同空客公司對于裂紋產(chǎn)生原因的說法?!皺C(jī)翼內(nèi)部零件出現(xiàn)裂紋的原因可能包括設(shè)計、加工、選材、安裝等幾個方面,材料選擇不當(dāng)或材料的缺陷可能是其中的重要原因。另外,安裝零件時如果螺釘擰得過緊也可能產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,從而造成類似故障的發(fā)生。”黃俊在接受國內(nèi)一家媒體采訪時說。
據(jù)空客公司介紹,此次顯現(xiàn)裂紋的零件是空客A380飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部的大約4000個L形鋁合金支架,它不屬于結(jié)構(gòu)承力件,而且裂紋不是金屬疲勞引發(fā)的,對飛行安全不會構(gòu)成任何影響。對此,有許多航空專家并不完全贊同。他們認(rèn)為,雖然該支架不屬于結(jié)構(gòu)承力件,但如果出現(xiàn)大量支架開裂,就會對飛行安全產(chǎn)生較大影響,即使是少量開裂也會影響機(jī)翼的整體剛性和緊固性,從而帶來安全隱患。
有業(yè)內(nèi)人士建議,空客公司應(yīng)該盡快為出現(xiàn)問題的空客A380飛機(jī)更換零件,將原有的鋁合金材料更換成能夠承受更大壓力的材料,而不是拖到4年一度的檢修期時才來維修。
眾所周知,空客A380飛機(jī)是目前世界上最大的飛機(jī),相比之下,零件上的幾絲裂紋從體積上來看確實(shí)顯得十分渺小。但是,作為飛行安全的基礎(chǔ),航空材料本身容不得哪怕一絲裂紋,不僅在空客A380飛機(jī)身上如此,從古至今的所有飛機(jī)均是如此。
奇妙的雙螺旋
“一代材料,一代飛機(jī)”
說起飛機(jī)與材料,有航空專家認(rèn)為,它們的關(guān)系很像DNA式的雙螺旋,呈現(xiàn)出交替“攀比”的螺旋上升狀態(tài)。飛機(jī)性能的提升對航空材料提出了日新月異的需求,航空材料的不斷突破又成為一代又一代新飛機(jī)誕生的催化劑。
在1903年首架飛機(jī)問世之后的10余年間,受科技發(fā)展水平的限制,當(dāng)時的飛機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則主要是按靜強(qiáng)度設(shè)計,即飛機(jī)材料只要能夠承載飛行中的靜載荷便可。在這段時間內(nèi),飛機(jī)材料主要為木材和帆布,除了個別連接件和發(fā)動機(jī)外,幾乎沒有什么金屬材料,這一點(diǎn)從萊特兄弟的“飛行者1號”身上可以清晰看出。
1920年~1949年,為了提高飛行安全水平,在飛機(jī)設(shè)計中開始逐漸融入安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則,飛機(jī)也過渡到以鋁合金和鋼材為主的全金屬飛機(jī)。自上世紀(jì)50年代開始,飛機(jī)飛行速度越來越快。為了保證安全,飛機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則從安全壽命準(zhǔn)則轉(zhuǎn)向破損安全準(zhǔn)則,一些飛機(jī)開始采用高強(qiáng)度、高韌性材料,比如鈦合金。另外,在這一時期,金屬疲勞問題逐步涌現(xiàn)并且越來越被航空業(yè)所關(guān)注,普通的鋁合金瞬間由航空材料“老大”變?yōu)橐恍┛针y的“罪魁禍?zhǔn)住保壓蟮木哂锌蛊谛阅艿匿X合金材料隨之大受青睞,并且沿用至今。
20世紀(jì)末期,復(fù)合材料憑借重量較輕、抗疲勞性好等諸多優(yōu)點(diǎn)登上歷史舞臺,在軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì),復(fù)合材料也開始逐步被應(yīng)用到民用領(lǐng)域并且得到迅速發(fā)展。在目前的一些先進(jìn)民用飛機(jī)上,復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重量百分比甚至超過了50%。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,航空復(fù)合材料的時代已經(jīng)到來。
歷史表明,航空材料的選擇不僅會直接影響到飛機(jī)的性能,還會對飛機(jī)的可靠性、耐用程度和壽命等關(guān)乎飛行安全的因素起到?jīng)Q定性作用。從這個意義上講,“一代材料,一代飛機(jī)”的說法并不為過。
“這個殺手有點(diǎn)冷”
不得不防的金屬疲勞
盡管復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛,但目前來講,金屬材料尤其是鋁合金依然是航空材料的主力軍。相應(yīng)地,金屬疲勞問題也從來沒有跳出過航空業(yè)者的目光。有航空專家指出,由于金屬疲勞不易被發(fā)現(xiàn),對于飛行安全來講,它就好像一個“殺手”,而且“這個殺手有點(diǎn)冷”。
2011年4月2日,一架美國西南航空公司波音737-300客機(jī)在飛行途中上演驚魂一幕:機(jī)艙頂部突然破了一個2平方米的大洞,但飛機(jī)隨后成功迫降,并無人員傷亡。事后的分析報告指出,這一切都是金屬疲勞惹的禍。飛機(jī)頻繁起降造成的機(jī)艙循環(huán)加減壓會使機(jī)身處在一個膨脹、收縮的循環(huán)過程中,由于這架飛機(jī)機(jī)齡較大,機(jī)身蒙皮的鋁合金材料出現(xiàn)了金屬疲勞。
“所謂金屬疲勞,就是金屬材料在經(jīng)過長期的使用之后,由于重復(fù)多次地向其施加載荷,金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生細(xì)小的裂紋。如果繼續(xù)施加載荷,裂紋就會繼續(xù)擴(kuò)展,在加到一定程度的時候,材料就會被徹底破壞?!?a href=http://m.hkxyedu.com/hangkong/bhmh target=_blank class=infotextkey>北京航空航天大學(xué)材料力學(xué)專家孟慶春教授解釋說。
孟慶春告訴記者,因金屬疲勞而產(chǎn)生的破壞不同于普通破壞形式。金屬材料的裂紋不僅不易被發(fā)現(xiàn),而且在人們通常認(rèn)為受力不大、不應(yīng)該有問題的情況下,出現(xiàn)疲勞的金屬材料也可能發(fā)生破壞。“從字面上講,就好像司機(jī)疲勞駕駛,由于他的反應(yīng)速度變慢了,一些不起眼的因素也可能釀成交通事故。金屬疲勞也是一樣的,裂紋起初是一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大,到一定程度之后就會造成承載面積的減小,即使在較小力的作用下,也可能被破壞。”孟慶春說。
不過,似乎“隱形”的金屬疲勞也不是不可破解的。孟慶春向記者表示,雖然有的裂紋由于在內(nèi)部,用肉眼很難看到,但現(xiàn)在擁有的無損探傷技術(shù),如超聲波檢測、X光檢測等,都可以在早期就發(fā)現(xiàn)金屬疲勞的蹤跡,再加上對飛機(jī)的常規(guī)檢查和維修保養(yǎng),我們完全可以將金屬疲勞扼殺在萌芽階段。(夏雨)
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