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

　　美国联邦航空局于1998年4月30日发布FAR 25.571第96号补充文件，其中包含三项重要需求修改：一、增加制造遗留瑕疵为损伤来源之一；二、需订定结构的检查时距；三、要求设计时必须特别考虑可能发生的散布型疲劳损伤，并以完成至少二倍服役寿命的全尺寸疲劳试验机，完成全机体细部拆检后所得的充足证据，证明在飞机的设计服役寿命期间不会发生这种损伤。美国空军也于2002年修订MIL-STD-1530A《飞机结构完整性项目》，增订散布型疲劳损伤的定义，并要求需有分析数据佐证其发生时机预测。

　　“损伤容限”设计经此强化后，除可防止飞机在设计服役寿命期间因疲劳、腐蚀、制造瑕疵、意外损伤导致提早损坏外，还可防止老旧飞机因散布型疲劳损伤以致发生飞安顾虑。但即便有此完善的设计准则，如果飞机上有不符合制造蓝图规定的结构件，仍然无法确保飞机结构安全，2007年美国空军一架F-15C的空中解体就是最好的说明，此事件肇因于制造工厂的员工素质及品保制度下所导致的人为失误。

飞机机体结构中典型的散布型疲劳损伤型态

　　西方有一句谚语：“人皆会犯错（To err is human.）”，而专探讨人为失误原因的《谴责机器：为什么人为失误会酿成灾害》一书中也指出，由于人类头脑的心智过程，在任何工作中都会发生一定程度的人为随机型失误（Random Error），再好的系统及设计也无法完全消弭这种失误。

万磁王

F-15C空中解体

　　2007年11月2日上午，一架隶属于美国密苏里州空中国民警卫队（Air National Guard）的F-15C在执行训练任务时，突然空中解体。

　　失事当时，这架编号80-0034的F-15C正执行基本战斗机动作（Basic Fighter Maneuvers）演练，与僚机进行一对一的空中攻击及防御动作训练。在进行第二次的接战练习时，失事机以450节的空速快速右转，机体承受负载约为7.8g，此时机体开始剧烈抖动，飞行员立即将飞机改为平飞状态，机体承受负载迅速降到.5g，数秒钟后，前机身从座舱罩后方位置处断裂并与机体完全脱离，机体空中解体为二截，飞行员跳伞后平安获救。

2007年11月2日，美国空军一架F-15C因结构疲劳而空中解体

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　　事后的调查报告显示：失事发生原因为斜机身站位（Canted Fuselage Station）CFS 337处的右侧上纵梁断裂，失事机上纵梁残骸经破断面检验后，发现破断面处的厚度仅有0.039英吋（不到一毫米 ）到0.073英吋，完全不符合蓝图规定的0.090英吋到0.110英吋厚度，且上纵梁的表面粗度（Surface Roughness）也较蓝图规定粗糙。过薄的破断面直接造成上纵梁局部应力大幅升高，在反复的飞行负载作用下，上纵梁很容易由粗糙面产生多处的疲劳初始裂纹，继而在后续的飞行负载中持续生长，最后导致上纵梁完全断裂。

事后美国空军在多架F-15C的纵梁上检出了裂纹

　　这架F-15C于1982年开始服役，失事时飞行时数接近5,900小时。F-15C原始设计观念为“安全寿命”，服役寿限为4,000飞行小时，在美国空军颁布“损伤容限”设计观念后重新依据此规范进行分析，服役寿限延长到8,000飞行小时，并以16,000飞行小时的全机疲劳试验来加以验证。由于分析数据显示上纵梁的疲劳寿限高达31,000飞行小时，远超过飞机的服役寿限，且上纵梁在全机疲劳试验过程中未发现任何损伤，故虽属攸关飞安的主结构件，但依据规范无需进行定期检查。

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结语

　　为维护飞机的飞行安全，飞机结构的设计观念也历经多次的变革。最早的静力强度设计观念完全不考虑疲劳效应，导致发生“彗星”客机的惨剧，接续的“安全寿命”设计观念则企图界定结构的疲劳寿命，当结构使用时数到达此数值时，不论其是否完好如初，皆视为其疲劳寿命已使用殆尽而必须更换新件，因此这种设计的结构安全性被称为“以更换保障安全”（Safety-by-Retirement）。换言之，如果结构疲劳寿命分析失真，结构安全将面临大灾难，美国空军F-111事件就是明证。

　　“破损安全”设计观念则企图藉由良好的设计，让结构上的裂纹在未造成飞安顾虑前，飞机在正常操作及维修状态下即能轻易发现它，所以这种设计观念的结构安全性被称为“以设计保障安全”（Safety-by-Design），也因此如果结构设计失当时结构安全亦将不保，波音707陆萨卡事件对此做了最好的说明。

　　目前航天业界普遍采用的“损伤容限”设计观念，则是仰赖定期检查来发现结构上预期会产生的疲劳裂纹，这种设计观念的结构安全性被称为“以检查保障安全”（Safety-by-Inspection），因此如果是检查人员疏忽或未预期的结构上产生疲劳裂纹，结构安全将面临重大挑战，美国空军F-15事件堪称最佳范例。

　　自有航空工业以来，飞机结构设计的目的就在于保证飞机于设计服役寿命期间正常飞行状态下的飞航安全，但如果深入探讨飞机结构设计观念的内涵、变革、以及相对应的飞机失事事件，就会发现到目前为止仍未完全达到此理想目标，而随着未来对飞机性能要求的逐日提升，以及延长飞机服役年限以获得最佳经济效益的趋势，飞机结构设计将面临更艰巨的挑战。