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从安全寿命到损伤容限——飞机结构设计的观念变化与演进

发布时间:2015-06-05  原作者:魏楞杰   点击数:

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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。

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