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飞机结构设计思想变迁（三） 文/ 图 王辰 胡丹飞机设计史上很多的技术进步以及设计理念的演变都来源于飞行事故的教训和启发，尽管飞行事故是我们所不愿意看到的。但是我们不得不承认，即使是航空业高度发达的今天，人类对于飞行依然是处于不断探索的阶段。关键在于我们可以从这些大大小小的飞行事故中发现问题，总结出症结所在并想方设法去解决它。如今，乘坐喷气式客机出行已经是大众出行的一种常见方式，但是在二战后期以及其后的20 世纪40、50 年代，这还是一件稀罕事。上期文章中提到，在1949 年7 月27 日，世界上第一架喷气式客机“彗星（Comet）”号原型机进行了首次飞行。它采用了当时的新技术和新材料，在飞行速度、舒适性、载客人数等方面都代表了当时大型喷气式客机的最先进水平。这种由英国德哈维兰（deHavilland）公司研制的民航客机是世界上第一种以喷气发动机为动力的民用飞机，这在当时被认为是革命性的。它装有4 台涡喷发动机，后掠式机翼，速度可达788 千米/ 小时。机体为全金属半硬壳结构，采用密封机舱，在万米高空飞行时有着前所未有的平稳性和舒适性。“彗星”的速度优势也是当时任何使用螺旋桨式客机无法相比的（使用螺旋桨式发动机的DC-7 客机巡航速度653 千米/ 小时），从伦敦飞到罗马只需2 小时。“彗星”的出现，使英国成为当时航空界的翘楚。1952 年5 月2日，当“彗星”型客机投入从英国伦敦飞往南非约翰内斯堡的航班服务时，全世界轰动了。这种高速客机令飞行成为一种奢华的享受。1952 年5 月，英国海外航空公司的9 架“彗星”型客机投入航线运营，标志着民用航空喷气式时代的到来。然而，之后在“彗星”客机身上发生的多起恶性事故，断送了“彗星”客机和德. 哈维兰公司的前途，也促使人们去研究航空结构的金属疲劳现象，乃至形成安全寿命设计的飞机结构设计思想。1953 年至1954 年期间，“彗星”型客机接连发生坠毁事故，导致“彗星”客机停飞。继“彗星”客机的投入运营引发轰动之后，它的空难再一次轰动了全世界。1954 年1 月10 日，一架英国海外航空公司（BOAC）的“彗星”型客机（航班编号781 号）从意大利罗马起飞飞往目的地英国伦敦。起飞后26 分钟，飞机空中解体，后坠入地中海。机上所有乘客和机组人员全部遇难。“彗星”停飞两个月后，由英国海外航空公司总裁保证不会出事才恢复飞行。然而时隔不久，1954年4月8号，另一架从罗马飞往开罗的“彗星”型客机也发生了同样的空中解体事故。在不到一年的时间里，有3 架彗星客机在空中解体坠毁。人们对此议论纷纷，究竟是因为喷气式飞机飞得大快了，不适合作为民航客机使用；还是因为喷气式客机飞得太高了，被气流冲击损坏；又或者是“彗星”客机本身设计就有问题？后来调查研究显示，由于“彗星”使用了增压座舱，对客舱的加压结构设计经验不足，长时间飞行以及频繁起降使机体反复承受增压和减压的交变应力而引发金属疲劳是发生“彗星”型客机解体坠毁事故的原因。据统计，因发生事故而损坏的“彗星”客机中多数是因金属疲劳以及设计方面缺陷造成的。我们都知道，在人长时间工作得不到休息或者因为生病就会感觉到疲劳。通俗的说，就是“我累了”！那么，“金属疲劳”是怎么一回事呢？世界上第一台蒸汽机车要比莱特兄弟的“飞行者一号”早出现将近一百年，随着铁路运输的兴起和发展，人们发现机车的车轴常常发生损坏，而这些车轴明明是符合设计要求的。但是在满足静强度要求的条件下，经过一段时间使用的车轴依然会发生断裂。原来机车的车轴在运转中承受着周期性变化的弯曲应力，这种周期性变化的应力称为“交变应力”。在对交变应力作用下的车轴进行观察分析后，研究人员发现车轴所能承受的交变应力的大小比其能承受的静应力要小得多，而这种在交变应力作用下发生失效破坏的现象就叫做“疲劳破坏”。疲劳破坏的危险要比普通的超重超载所带来的破坏更加严重，因为我们在进行飞机设计的时候，会非常重视飞机结构危险部位的受力状况和变形情况，不但要通过详细的计算使得其应力应变水平低于材料的许用应力和最大形变要求，还要在样机制造出来之后进行静力加载试验来验证设计出来的飞机是否满足实际使用的要求。但是结构所能够承受的交变应力却往往要比其所能承受的静应力要小得多，就好像一个结构在100Mpa 的静应力加载条件下不会发生破坏，但是在应力幅为20Mpa 的交变载荷加载下却会发生断裂。有一个经常发生在我们身边的例子可以很直观的说明这个现象：当我们想弄断一根铁丝而手边没有合适工具的时候，我们一般不会用蛮力直接将其拉断，因为那样往往费尽九牛二虎之力却难以奏效。我们往往会在将其截断的位置往复弯折。这样不但不费太大的力气，还能有效地折断铁丝。飞机结构在使用中也不断承受着交变载荷。从总体上看，飞机每次飞行都经历着从起飞到着陆的周期性交变载荷作用的过程，在每次从起飞到着陆这样大的周期内，还包含着许许多多小的交变载荷，这就带来了飞机结构的疲劳问题。其实在1954 年“彗星”型客机接连三次机毁人亡的灾难性事故引起世界范围极大重视之前，就已经发生过很多由于结构发生疲劳破坏而引发的事故。第二次世界大战前后，约有20 架英国“惠灵顿”重型轰炸机发生疲劳破坏；1952 年，美国多架F-86“佩刀”战斗机因为机翼主接头发生疲劳破坏而连续发生事故。在民机方面，由于服役期限长，正常使用时的应力水平又与设计的最大应力水平接近，情况就更为严重。1948 年美国“马丁202”型运输机失事；1951 年英国“鸽”式飞机因翼梁破坏在澳大利亚失事；1953 年英国“维金”号飞机也因主翼梁破坏在非洲失事。可见在当时，人们还未能意识到疲劳破坏对于航空器飞行安全的巨大危害。早期设计的飞机的疲劳问题并不突出，是因为在设计时只考虑了强度刚度要求，但是受限于较低的结构设计水平，留出了较大的强度储备，安全系数较高，使得飞机在使用中的应力水平甚至低于按现代考虑了疲劳问题而给出的许用应力。这样，飞机结构的疲劳问题就被掩盖起来了。然而当航空技术飞速发展，为了使飞机能够达到更大的速度高度以及更加良好的飞行性能时，就要求结构的重量要尽量轻。随着静强度计算得越来越精确、飞机结构设计的水平越来越高、实验技术越来越先进，飞机静强度的“储备”就留得越来越少，疲劳问题就暴露了出来，导致很多静强度合格但未考虑疲劳问题的飞机发生了严重的疲劳破坏事故。这里说句题外话，从这个事情中我们也能够看到任何事物都是具有两面性的，结构设计水平的提高带来了飞机性能的提高，但也暴露出了以前没有出现的安全问题。开个玩笑来说，就是“算不准”的飞机没出问题，“算得准”反而出事了！联想到我国近些年不断出现的由于超载而引起的路面开裂、桥梁垮塌事故，某种程度上也是因为设计的时候“算得太准了”，设计应力水平和实际应力水平接近，一旦出现严重超载大大超出设计承重，就会出现问题。而那些更早时候设计的桥梁因为留出的设计冗余大，反而不容易出事故。当然，豆腐渣工程就另当别论了。在这些由疲劳问题导致的事故发生以后，大量的分析和研究表明，只按静强度和刚度设计并不能保障飞机结构的安全。飞机飞行速度的提高、高强度材料的使用、结构强度分析水平的提高都使得疲劳问题日益突出，由此提出了安全寿命设计的飞机结构设计思想。其设计准则为Ne Ns Nex Nf。其中Ne 为飞机的实际使用寿命，Ns 为飞机结构的安全寿命，Nex为结构的疲劳是验收寿命，Nf 为疲劳分散系数。除了危险的交变载荷外，早期飞机未能在结构设计的时候考虑疲劳问题，在设计一些结构开口，如舷窗、舱门等设施的时候，往往设计成方形等转角较为尖锐的形状，没有采取倒圆角或者椭圆形开口等方法，造成应力集中。这样，结构在交变载荷下会更加容易出现裂纹而导致产生破坏，“彗星”客机的灾难性事故就与此有关。（未完待续） -全文完-