让裂纹自行报警

马楠

飞机的出现是人类社会文明进步的象征，发动机是保证飞机安全可靠的关键。发动机服役环境严苛，其叶片不可避免地会发生断裂失效。一片叶片断裂失效，会使周围大量叶片被打伤，严重时还会造成机毁人亡的严重事故。据分析表明，近年来飞机飞行故障与发动机叶片断裂失效相关的占60%以上。科研人员对于发动机叶片失效分析的研究工作多是在出现故障以后，进行失效模式的判断、失效原因的分析，将意见措施反馈给设计、加工、制造、组装等环节。这些工作对叶片在保证性能基础上实施可靠性工程意义重大，但却不能有效避免飞行故障的发生。

叶片断裂后，科研人员采取失效分析，叶片的设计制造也在积极改进，但即使叶片的设计制造水平再高，也不能完全保证叶片在服役期内不发生断裂失效，因为断裂本身是一个概率问题。只靠事先预防和事后总结无法解决问题，那么我们在叶片的服役过程中可以做什么呢？按照这个思路，我们可以在发动机叶片服役过程中应用实时监测技术。如果我们能知道任意时刻叶片裂纹的扩展情况，当裂纹萌生扩展到一个临界值（可能引起断裂）时，便能提前更换叶片或叶盘，从而避免叶片的断裂失效。

可以设想在叶片材料可能断裂失效部位预埋一些磁性线体，叶片周围有闭合的导电回路。根据电磁感应，当发动机高速旋转时，回路中会产生电流。叶片出现裂纹后，线体便会断裂，其磁场便会发生变化，回路中电流也会发生变化。根据电流变化与裂纹长度的对应关系确定叶片的损伤状况。我们还可以设想在叶片表面上布设光导纤维，经过涡轮轴传导来收集信号，从而实时监控叶片在服役时的应力变化。由于叶片不是一个点，为了获得叶片比较完整的应变场信息，应采用分布式调制的光纤传感系统进行监测。当叶片机械载荷过大或萌生裂纹导致光纤断裂时，传感器信号中断，便可以对响应叶片提前采取措施。

但是具体到实现对发动机叶片进行实时监测却是极其困难的，这涉及发动机制造、材料、力学、光学、电磁学、机械设计等大量相关学科。首先，在金属材料中预埋光纤或磁性线体的设计制造技术难度极大。其次，发动机叶片工作环境恶劣，已接近其使用性能的极限，预埋任何物质都将会改变金属材料组织，影响各项性能，可能导致其在复杂环境中无法服役。最后，由于涉及金属材料的微观结构机理，对传感器的敏感度要求很高，信号的收集比较困难。不过，美国洛克希德·马丁公司已将Bragg光栅光纤传感网络用于X-33航天飞机箱体构件的应力和温度的准分布监测；人们对一些重要建筑的裂纹扩展也已经在进行实时监测。这些虽说都是复合材料的例子，但仍给该想法带来一丝曙光，激励我们朝着对发动机叶片进行实时监测的方向努力。

如果将该思路从发动机叶片的实时监控进一步推广到整个发动机上，那么飞机飞行故障发生率就会大幅下降，失效分析这门学科的重要性也将大幅提升。我们现在要做、也能做的是，在发动机设计与研制过程中利用先进的失效分析技术对关键材料、关键件的内部损伤、损伤演化行为、失效机理、预测预防等方面进行深入系统的研究。

责任编辑：王鑫邦