空难事故中的力学问题

钱天川

摘 要：空难事故往往是灾难性的，会造成巨大的人员伤亡和经济损失。对航空史上的空难事故原因进行分析，发现人为因素和非人为因素都可能导致空难事故;对空难事故中引起飞机破坏本质的力学问题进行探究，指出静力、冲击、疲劳破坏是主要的原因;本文结合空难中的力学问题，对飞机设计思想的发展过程进行了总结。

关键词：空难;空难原因;疲劳破坏;飞机设计思想

中图分类号：V211.15 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0229-02

0 引言

古巴当地时间2018年5月18日，一架古巴航空公司的波音737-200型客机从哈瓦那的何塞·马蒂国际机场起飞后坠毁，当时飞机上有105名乘客和9名机组人员共计114人，此次空难事故最后造成了111人遇难。失事飞机的两支“黑匣子”均已找到，而飞机主要的结构和部件都被收集并运到安全的地方进行调查，以确定事故原因。古巴空难事故是最近的一次世界航空史上伤亡惨重的大事故。而最早的一次空难事故，可以追溯到百年以前。1908年10月17日，奥维尔·莱特驾驶自己设计制造的飞机在弗吉尼亚的迈尔堡进行第三次飞行时发生意外，随机搭载的陆军中尉托马斯·赛普里金成为第一位死于空难的人。

自1903年12月，莱特兄弟制造的飞机成功首飞拉开世界航空史的序幕之后，110多年的历史中，大大小小的空难事故一直伴随着航空业的发展。而空难事故背后的原因调查以及针对事故原因的不断改进的设计方法和制造技术，也是推动航空业发展的重要原因之一。论文将主要针对空难事故，分析引发空难的多个原因，然后在此基础上总结空难事故中主要的涉及力学方面的问题，并对飞机结构设计思想的发展进行探讨。

1 空难原因分析

空难，是指各种载人航空飞行器在起飞、飞行或降落过程中，由于人为因素或不可抗拒的原因导致的灾难性损失。尽管飞机的安全系数比汽车高，相比于每年死于道路交通事故的百万余人来讲，乘坐飞机也许是更安全的交通方式，然而，一旦发生空难，通常情况下幸存者将寥寥无几，损失惨重。

总部设在日内瓦的空难档案局每年初都会对前一年的空难事故进行统计，统计数据表明，空难死亡人数最高的年份是1972年，達到了3346人。而2014年尽管空难事故相对不多，然而一系列大的空难事故使得2014年成了航空灾难年，主要包括：马航MH370航班神秘失踪，共有227名乘客遇难;马航MH17航班在乌克兰东部冲突地区被导弹击落，共298人全部遇难;亚航QZ8501航班失联，遇难人数162人，等等。针对众多空难事故的调查分析表明，引起空难的原因很多，主要分为人为因素以及非人为因素两大类。

1.1 人为因素所引起的空难

据美国空难数据网显示，从1950年到2010年全球已得出确切事故原因的上千次空难中，人为因素在事故原因中超过五成。人为因素主要包括恐怖袭击和人为失误等，其中人为失误主要来自于航空管制员、飞行员、维修工程师等。人为因素导致的空难事故中，最广受关注、影响最大的美国“9.11恐怖袭击事件”中，被恐怖分子劫持的两架飞机撞击纽约曼哈顿的世界贸易中心，导致包括美国纽约地标性建筑世界贸易中心在内的6座建筑被完全摧毁，死亡人数约3000余人，成为世界航空史上最大的恐怖袭击空难事故。此外，人为操作失误也是空难的主要人为因素之一。2017年7月17日，发生在巴西孔戈尼亚斯机场的飞机事故就是人为操作失误引发的。事故主要原因是管制塔台允许飞机在积水湿滑的跑道降落，结果飞机着陆后由于滑行太快而失控冲出跑道，重新起飞后撞到机场外航空公司的仓库大楼上发生爆炸，事故造成包括乘客、机组人员、楼内职工和过路行人共约200人丧生。

1.2 非人为因素所引起的空难

非人为因素通常是不可抗因素，包括机械故障、气候影响、电磁干扰、鸟撞等。由于飞机制造过程复杂，且飞机体积庞大，尽管飞机设计和制造技术不断提高，但是机械故障所致的飞机事故还是时有发生。机械故障主要包括发动机故障、仪表显示不正常、液压系统失灵等。台湾复兴航空客机失事就是发动机故障导致飞机动力不足引起。气候影响主要包括：雷暴天气时飞机可能被闪电击中导致损坏，飞机机翼结冰影响飞机结构气动特性、浓雾和暴雨影响安全降落条件。2010年巴基斯坦空难就是气候原因所致，机上152人遇难。电磁干扰是由于飞机上的导航设备和操纵系统被外来电磁波干扰而无法接收地面导航站的电磁信号，导致飞机正常飞行被干扰而引发事故。而鸟撞飞机是由于飞机的高速运动产生巨大的动量，鸟与飞机相撞时由于撞击时间很短，根据物理学知识，撞击力将足够大，从而破坏飞机的局部结构如发动机叶片等。

总的来说，因为种种原因，空难事故总是难以避免，找到空难事故的原因，有助于提前防范从而减少同类事故的发生。

2 空难事故中的力学问题

尽管引起空难事故的原因多种多样，然而，空难发生时，通常表现为飞机结构的破坏。这种飞机结构的破坏可能是局部的，也可能是整体的;破坏的过程可能是一瞬间的，也可能是渐进的。引起飞机结构破坏的本质问题主要是力学问题。根据破坏的过程和形式，这些力学问题可以分为静力破坏、冲击破坏、疲劳破坏三类。

2.1 静力破坏

飞机结构的静力破坏通常是飞机某些局部位置承受的应力超过材料的强度极限而导致的一次性破坏。空难史上的第一次事故就是由于螺旋桨出现裂纹后其承载能力下降，导致螺旋桨断裂而失事。静力破坏的空难事故很多，如：1989年，美国联合航空公司811航班在23000英尺高空飞行时前货舱门突然爆裂，内压的作用使得整个右前侧机体被撕裂;2009年，土耳其航空1951号航班在降落过程中严重损毁，断成三截，主要是结构承载过大所致。

2.2 冲击破坏

飞机结构的冲击破坏主要是由于飞机与外部物体之间的碰撞所致。主要来自两方面，飞机高速运动过程中受鸟撞击而出现破坏以及飞机低速或高速运动时与其余飞机或建筑相撞而出现破坏。2009年全美航空1549号航班在起飞后90秒攀升到3200英尺后，因鸟击致使两个引擎都失去动力而不得不迫降，所幸未造成人员伤亡;而1996年，印度上空的两架客机相撞就没那么幸运了，造成了350余人遇难，这也成了航空史上最严重的飞机空中相撞事故。

2.3 疲劳破坏

飞机结构的疲劳破坏通常是在远低于设计容许最大应力的循环应力作用下，飞机结构局部的疲劳源不断扩展，形成疲劳裂纹，当裂纹扩展到临界长度时，由于材料净承载面积下的应力超过材料的极限强度而发生破坏。疲劳破坏是飞机空难事故主要的原因之一。在对众多空难失事飞机残骸的检查中，经常会发现机身金属疲劳破坏的现象。如1969年F-111战斗机的破坏就是由于接头处的半椭圆疲劳初始裂纹扩展所致;1979年美国航空公司的DC-10型客机失事是由于机身上连接引擎和机翼的螺栓因疲劳而折断，导致引擎爆炸引起的。

3 飞机结构设计思想的发展

空难所造成的破坏是对飞机结构安全最大的挑战;然而，不管对于民机还是军机，安全是永恒的主题，是结构设计的基本要求。飞机结构设计思想的发展来源于飞机的使用实践，同时又受制于当时的科技水平和生产力水平。

早期的飞机结构设计思想要求飞机结构承受的最大载荷必须大于实际承受载荷的一定倍数（又叫做安全系数），即满足静强度设计准则;这一设计准则贯穿了整個飞机设计发展史。第一次世界大战期间出现的飞机机翼颤振问题，使得飞机设计开始关注刚度问题，此时的飞机设计中又加入了变形设计准则和气动弹性设计准则。

第二次世界大战后，多个国家相继出现了飞机结构因疲劳破坏引发的空难事故，其中彗星号飞机的灾难性事故最为典型;为了解决这一疲劳破坏问题，安全寿命设计方法被采用。安全寿命设计是以结构无裂纹寿命作为设计目标，而结构中的初始缺陷以及制造缺陷无法避免，飞机结构必然会存在各种损伤，损伤的发展会导致结构破坏，因此，在安全寿命设计的基础上，破损安全设计思想被发展起来。破损安全设计的思想是设计备用结构，使飞机结构在主传力结构失效后，由备用结构承担载荷，以保证飞机结构的安全。然而，由于检修成本太高，促使了耐久性/损伤容限设计准则的诞生。损伤容限设计承认结构中存在未被发现的初始缺陷，要求在使用过程中的重复载荷作用下，缺陷的增长应控制在一定范围内，在规定的检查间隔内，结构满足规定的剩余强度要求，以便能通过有效的检查、维修保证结构在使用寿命期内不发生灾难性的破坏。目前，耐久性/损伤容限设计思想是各国先进飞机的主要设计思想，各国都颁布了相关的设计标准和设计规范。

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