从安全寿命到损伤容限——飞机结构设计的观念变化与演进

万磁王

原作者：魏楞杰

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

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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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“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

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　　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

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　　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。

　　另外出厂前的结构测试也有问题，“彗星”1执行全尺寸机体疲劳试验时，机体约经过18,000次的加减舱压后才毁坏，大约是真实疲劳寿命的15倍，与实际情况完全不符。这是因为疲劳试验机体之前也用来执行静力试验，先承受了两倍设计舱压的负载以验证机体静力强度，而在材料内留下了当时世人仍一无所知的余留应力（Residual Stress），而余留应力会提高结构疲劳寿命，致使试验结果失真。

第一架失事“彗星”1初始疲劳裂纹位置

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　　第一架失事“彗星”1的残骸从地中海被捞起重组后，调查人员在机身上方两座自动定向（Automatic Direction Finding）天线的后天线座右后方蒙皮开口（cut-out）角落处发现了问题，在距开口约5厘米处一直径约1厘米的螺栓孔边，发现了疑似初始疲劳裂纹位置，这个疲劳裂纹在飞机失事前几架次飞行中迅速向前后生长到约2.5厘米长度后，即导致飞机在舱压作用下空中解体，与水槽测试所显示的现象相吻合，证实了金属疲劳是失事的原因。“彗星”1在每一次飞行中，起飞后爬升到巡航高度，或是降落前由巡航高度下降到进场高度，机内舱压的变化在窗户角落应力集中的位置产生细小的裂纹，此小裂纹随着飞行时间的增加而生长，当到达临界长度（Critical Length）时，机身就像汽球破裂般地爆裂开来。

残骸的窗户裂纹

水槽试验中出现的窗户裂纹

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安全寿命

　　“彗星”1设计于1946年，依循英国航空注册委员会（Air Registration Board）认可的“安全寿命”（Safe Life）设计观念。在这种设计观念里，飞机在预定的服役期间内需能承受预期的反复性负载，当结构飞行时数到达服役寿命时，认定结构疲劳寿命已经完全耗尽，飞机必须退役。

　　“安全寿命”设计观念的缺点，在于它的疲劳分析与设计一般是采用“疲劳强度耐久限制”（Fatigue Strength-Endurance Limit）的方法，也就是所谓的麦林法则（Miner's Rule）。它是在实验室里对多片截面积各异的小尺寸材料试片，施加不同的等振幅（Constant Amplitude）负载，直到试片疲劳破坏为止，以获得此材料在各种施加应力和发生疲劳破坏的负载周期之数据，称之为S-N曲线（S-N Curve，S代表施加应力，N代表负载周期数），再以实际结构件在各种设计飞行条件下的应力，找到相对应的疲劳破坏负载周期数，依线性累加的方式加总，就可预测结构的疲劳寿命，并应用于设计。虽然这种方法已行之多年，且普遍为一般飞机结构设计及分析家们所接受，然而这种分析方法有其先天上的缺点，使得分析的结果常不符合实际。

　　因为一般在实验室里做这种小型试片的疲劳试验时，试片表面上都有经过特别处理，以使试片表面尽可能光滑平整而没有任何缺陷，也就是没有任何裂纹的存在。因此，由这种试片所得的疲劳寿命试验数据，就包括了裂纹初始（Crack Initiation）及裂纹生长（Crack Growth）这两部分。所谓裂纹初始（Crack Initiation），是指试片表面没有裂纹至发现有初始裂纹（Initial Crack）的那一段时间，至于初始裂纹的大小、尺寸、何时会发现，那要看该实验室的非破坏性检验能力而定。而裂纹生长，则是指初始裂纹由此后继续扩展，直到最后试片终于完全断裂的那一段时间。

SAE1045钢材的S-N曲线

　　如果把这种数据应用于飞机结构分析及设计上，由于我们很难相信也无法保证飞机上所有结构零件都处于完美无瑕的情况，换言之，结构上很可能（事实上也早已预先）存在着各式各样微小的裂纹，只是制造时的非破坏性检验能力无法发现。如果结构上早已预先存在着有裂纹，则它的疲劳寿命中就不再包含裂纹初始的那一段时间，而在传统的疲劳试验里，裂纹初始阶段所花的时间约占了全部疲劳寿命的百分之九十以上。传统的麦林法则分析结果，一律包含了裂纹初始及裂纹生长两阶段时间，显然过于乐观，也因此在传统的疲劳设计里，往往要采用一相当大的安全系数（一般是4）来尽量避免这项误失，而这过大的安全系数又常常会造成结构超重。

　　至于用来验证机体结构服役寿命的全机疲劳试验（Full Scale Fatigue Test），也因为试验机体无法完全表现生产型机体于制造过程中所留下的制造瑕疵，让试验结果充满不确定性。

　　根据美国空军60年代末研究所发表的一份报告AFFDL TR-70-149，在该军11种机型发生超过31,000件的疲劳裂纹事件中，百分之五十六以上可归咎于制造过程遗留下的预存（pre-existing）裂纹，这些裂纹是飞机服役期间发生疲劳破坏的主因，但无论是全机疲劳试验或是麦林法则，都无法计入这些预存裂纹对疲劳寿命的影响。

　　美国于在1927年成立航空商务局（Air Commerce Bureau），负责建立航空器的设计规范及其它标准，1938年改名为民航局（Civil Aeronautics Administration），在1945年颁订的民航法规（Civil Air Regulations）CAR 04.313疲劳强度（Fatigue Strength）章节中，首次出现结构疲劳考虑。该章节内简短表示疲劳会威胁结构完整性（integrity），要求设计时“在可行范围内避免有应力集中位置，以免正常服役情况下其应力超过疲劳限制（fatigue limit，不会造成结构疲劳破坏的应力值 ）。”

　　“彗星”1失事时，美国民航局针对飞机结构疲劳的适航要求，仅有1953年12月31日发布的民航法规CAR 4b.216c（3）章节补充文件中，针对加压舱负载的说明：“飞机结构需有足够的强度以承受差压负荷（pressure differential loads），此负荷等同于泄气阀门（relief valve）最大设定值乘以一考虑疲劳及应力集中效应之因子1.33，其它负荷可不考虑。”而当时对舱压结构的疲劳强度要求，亦仅需其静力强度可承受两倍（1.33x1.5=2.0）舱压负荷。

　　而美国空军至此时为止，仍未有任何正式的飞机结构疲劳强度需求，飞机结构设计只考虑静力强度，并以静力试验（Static Test）和安全系数（Safety Factor）的方法来降低设计过程中的负载、结构分析、材料强度变异、制造质量……等不确定性，导致1952到1958年间，陆续发生了F-89C（1952）、B-36（1952）、F-84（1953）、F-86（1955）、F-101（1958）……等战斗机的疲劳失事，但这些机型的结构疲劳问题，都经由快速失事调查及返厂结构修改而迅速获得解决。就在美国空军认为静力强度设计足以克服疲劳问题之时，在1957到1958年的多起B-47轰炸机失事，一举将它的飞机结构疲劳困境推到了最高峰。

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B-47轰炸机事故

　　XB-47A原型机于1947年12月17日首飞，1950年完成1.5倍设计限制负载（Design Limit Load，飞机服役期间预期会遭遇到的最大负载）的静力试验，1952年9月到1954年3月完成飞行负载量测（Flight Load Survey）验证，美国空军于1951年根据静力试验结果批准量产并进入美国战略空军司令部（Strategic Air Command）服役。B-47是美国波音公司根据二战后获自德国的后掠翼高速飞行风洞吹试数据，开发出的当年首创的后掠翼喷气式轰炸机，由于B-47的设计仅考虑材料的静力强度，因此采用强度高但疲劳特性差的7178-T6铝合金。波音认为这架飞机会损坏的唯一原因为结构负荷超载（overload），因此B-47没有明确的设计寿命，只是美国空军预定会在1965年退役。

　　B-47是当时美国战略空军司令部的主力，全机队共2,711架。全新设计的B-47最大起飞重量102,494公斤，安装6台通用电气（General Electric）的J-47喷气式发动机，4台置于机翼内侧，2台靠近翼尖，单具发动机推力3,268公斤，搭配薄且后掠的机翼，使得实际性能比预期更佳，最高时速981公里，比当时大多数战斗机都快，战斗半径达4,800公里，因此专门承担对苏联进行核战略轰炸任务，重要性无可言喻。

美国空军B-47喷气式轰炸机在50年代发生多起空中解体事故

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　　不过B-47的飞安纪录也是美国空军有史以来最惨烈的，在B-47机队的服役生涯中共有203架飞机坠毁，约占全机队总数量的十分之一，造成464人丧生。1957和1958年坠机达到最高峰：1957年24架飞机坠毁，63人丧生；1958年25架飞机坠毁，58人丧生。

　　1958年3月中旬到4月中旬这一个月期间，美国空军5架B-47连续失事。3月份3起：首先是在3月13日，佛罗里达州家园（Homestead）空军基地的一架B-47B起飞后三分钟，在4,500米高空解体，总飞行时数2,077小时30分钟；同一天在俄克拉何马州塔尔萨市（Tulsa）上空，一架TB-47B在7,000米高空处，因左机翼脱落而坠毁，总飞行时数2,418小时45分钟。接下来是3月21日，佛罗里达州埃文帕克（Avon Park）上空，一架B-47E在拉起机头爬升时空中解体，总飞行时数1,129小时30分钟。这3起失事事件中，美国空军认定1起为飞行操控造成的结构超载，另2件则与金属疲劳有关。

　　接着4月份又连续发生2起失事：4月10日在纽约州兰福德市（Langford）上空，一架B-47E于飞抵空中加油点前在4,000米高空处空中解体，总飞行时数1,265小时30分钟；4月15日，佛罗里达州麦克迪（McDill）空军基地，一架B-47E起飞后飞入暴风圈而空中解体，总飞行时数1,419小时20分钟。

　　美国空军在展开失事调查的同时，除立即检查全机队飞机是否有疲劳裂纹外，并限制B-47的飞行条件：最大指示空速（Indicated Airspeed）每小时570公里、最大飞行动作1.5g（重力加速度）、最大侧倾角（bank）30度、含副油箱重量在内，最大起飞重量84,000公斤、禁止低空及穿越扰流飞行。1958年5月29日开始配送各基地加强翼根结构强度的修理器材包，至1959年1月止共完成1,622架修复并解除飞行限制，不过在1958年后续的日子中，B-47又坠毁了22架。

　　美国空军为获知B-47的结构疲劳寿命，同时委请波音、道格拉斯（Douglas）、国家航空顾问委员会（National Advisory Committee for Aeronautics，NACA）三单位同步执行独立的全机疲劳试验，结果显示B-47的结构设计疲劳寿命确定为3,000飞行小时，如果进行结构修改则可望达 5,000飞行小时。1966年B-47退役，由B-52取代担任核战略轰炸任务。

　　失事调查结果显示，B-47的提前失事源自三大关键因素：全机总重增加、发动机推力增加、过多的低空飞行任务，换言之，飞机的实际负载已与设计负载差异太大。由于B-47是当时美国唯一可低空穿透苏联防空网投掷核弹的高速轰炸机，因此随着服役的年限渐长，被赋予的轰炸任务种类也逐渐增加，导致机内装备越来越多，全机重量也因此水涨船高。为了维持它的速度优势，发动机推力也随之提升增大，并加装火箭发动机协助飞机起飞，而它的轰炸动作也让机体承受极大的应力。B-47的典型轰炸飞行航线是一路低空以接近800公里的时速飞向目标，在距离轰炸目标约一分钟前爬升到1,000米的高度，抛出带有减速降落伞的炸弹后立即迅速大回转脱离目标区。在这些因素交互影响之下，机体结构承受的负载较设计负载超出太多，导致机翼经过一段飞行时数后，就因疲劳破坏造成飞机空中解体。

B-47机翼结构的关键部位

　　为确定其它机型是否有相同的结构安全疑虑，美国空军当时的参谋长（Chief of Staff）李梅将军（Curtis LeMay）于1958年6月12日非正式地批准莱特空中发展中心（Wright Air Development Center）规划的飞机结构完整性项目（Aircraft Structural Integrity Program），此项目主要目的为：一、控制现役机队的结构疲劳问题；二、开发正确预测飞机服役寿命的方法；三、提供设计及试验方法，避免现役机队发生结构毁坏。

　　美国空军当年并发布一份技术备忘录WCLS-TM-58-4，标题为《结构疲劳验证计划细部需求》（Detail Requirements for Structural Fatigue Certification Programs），规定在飞机结构的设计阶段，需根据以往经验搭配最新理论执行疲劳分析，并以全机静力试验及全机疲劳试验进行验证；飞机的设计使用寿命（即：安全寿命）为全机疲劳试验所验证的飞行时数除以一安全系数（通常是4），以计入材质、制造、组装过程、负载、……等不确定因素；服役阶段需执行机队飞行负载量测，获得飞机的真实飞行负载，以持续更新设计阶段的疲劳分析数据，确切掌握飞机结构的使用寿命。

　　1958年11月19日，李梅将军正式批准飞机结构完整性项目，1961年9月美国空军发布ASD-TN-61-141《空军结构完整性项目详细需求与状况》（Detail Requirements and Status Air Force Structural Integrity Program），明订对飞机结构的详细需求。此文件也就是今日美国空军仍奉行不逾的军用规范MIL-STD-1530《飞机结构完整性项目》的滥觞，它规定飞机由构想、设计、分析、试验、试飞验证到实际进入生产阶段，以及在部队服役时，必须遵循一系列标准的工作项目，以保证飞机能满足原先的设计需求，并保障飞机结构于后续服役期间的安全。

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破损安全

　　“彗星”1与B-47事件促成了飞机结构设计观念的改变，美国民航局在1956年2月7日修订航空器适航文件，新增的CAR 4b.270章节内，对大型客机结构（含加压客舱 ）的适航认证有更明确的规范，规定除了“疲劳强度”（Fatigue Strength，也就是“安全寿命”）设计外，飞机制造公司也可采用“破损安全强度”（Fail-Safe Strength）设计。

　　飞机结构中，那些大幅负担空中、地面、舱压负载，一旦损坏又未能发现时，最终会造成飞机坠毁的结构零组件，称为主结构（Principal Structural Element），如：机身上纵梁、机翼蒙皮……等。“破损安全”设计要求当飞机某一主结构局部损坏或完全破坏时，在飞机负载大小不超过百分之八十的限制负载乘以1.15动态因子（Dynamic Factor）的条件下，主结构的负载会由邻近的其它结构分担，飞机不会因结构过度变形致使飞行特性大幅度恶化，也不致有立即的毁灭性破坏顾虑。

　　在适航认证时，“安全寿命”设计的飞机需有主结构的疲劳分析或试验，且需执行机内舱压与机外气动载荷合并作用下的全机疲劳试验；而采“破损安全”设计的机体，需以分析或试验的方式证明，在前段所述的静力负载（Static Load）作用下，主结构强度符合设计需求（例如：在施加负载下切断一主结构件，或是在机身蒙皮上切出一条短裂缝，此时邻近的其它结构仍能承担规定负载），不硬性要求全机疲劳试验，且旧型飞机雷同设计观念下的服役经验，亦可做为适航佐证。至于是否需对主结构进行定期检查，虽然一般都认为应该要有，但在主结构发生不明显损坏时，是否应依据邻近其它结构的剩余寿命订定检查时距，适航文件中没有明文规定。

　　“破损安全”设计观念的基本论点，是飞机主结构一旦发生损坏时，在飞行中会使飞行特性明显改变，在地面则是很容易会被一般的目视检查发现，因此只要是在正常的维修或操作情形下，就能防止主结构突然的致命性毁坏。就疲劳而言，这种设计的结构只要无损坏，几乎就可无限期使用，既无需定期更换，也不必订定特定的检查作为，加上未强制执行全机疲劳试验，节约飞机经营成本的优点显而易见，因此当美国民用航空局颁布新规定后，绝大多数的客机主结构都改采这种设计方式。

　　“破损安全”设计乍看之下飞机结构更加安全，但这种设计本身并未保证主结构的损坏一定很明显。换言之，当主结构损坏后的飞行特性无明显改变，主结构又无强制性的定期检查时，将导致无法及时发现结构损坏并修复，飞机虽然没有立即的飞安顾虑，但主结构负载转由周边结构分担后，加诸于邻近结构的负载大幅增加，如果此负载继续维持一段时间，邻近结构很可能很快就会因疲劳、腐蚀、机械……等因素陆续损坏，最终必会危及飞安。

　　70年代初期，欧美国家一些民航单位的适航认证人员，开始对“破损安全”的飞机结构长久安全性有所质疑，英国民航局（Civil Aviation Authority）在相同的顾虑下，限制第一代“破损安全”设计的波音707机型在英国国内的安全寿命认证为60,000飞行小时，藉以保障其服役期间的结构安全，而英国的适航规范委员会（Airworthiness Requirements Board）也从1977年3月起，召集英、美的飞机制造业者和美国联邦航空局代表，进行一系列相关的会议研讨，可惜的是当这些会议正在进行中时，就发生了1977年的波音707陆萨卡（Lusaka）事件，暴露了“破损安全”设计的缺失。