报告: 关于航空器疲劳断裂事故的调查研究

作者与出版信息

本文由 G.S. Campbell 和 R. Lahey 完成，他们所属的机构是加拿大国家研究委员会（National Research Council of Canada）的国家航空建立机构（National Aeronautical Establishment）。该研究成果发表在《International Journal of Fatigue》1984年1月的第6卷第1期上，文章题为“A survey of serious aircraft accidents involving fatigue fracture”。

研究主题和背景

本文是一篇基于全球范围内航空器疲劳断裂事故的综述性论文。研究旨在调查自1927年至1981年期间，与疲劳断裂（fatigue fracture）相关的严重航空事故情况。疲劳问题在航空工业中是一个非常重要的领域，尤其涉及航空结构及部件的设计、检测和维护。本文特别关注哪些部件容易产生疲劳，以及疲劳断裂导致事故的频率、影响和背后的原因。

航空器疲劳问题早在20世纪40年代就开始引起关注，例如 Bland 和 Sandorf 在1943年已明确警告随着航空器设计的变化，疲劳问题将变得更加严重。本文扩展了早期的研究范围，结合从不同来源收集的数据，尝试全面揭示疲劳成因并给出建议，从而减少航空事故。

文章的内容结构和研究方法

这项研究通过多种数据源对疲劳断裂引发的航空事故进行了统计、分类和分析，数据来源包括全球航空事故摘要（World Airline Accident Summary）、国际民航组织（International Civil Aviation Organization, ICAO）数据库、相关杂志和参考文献以及成员国提供的信息。研究统计了固定翼（fixed-wing aircraft）与旋翼式（rotary-wing aircraft）飞机的事故情况。

特别的处理方式包括以下几点：
1. 将事故分为涉及人员伤亡或机体重大损坏的“严重事故”（serious accidents）。
2. 包括与疲劳断裂相关的全部事故（即便疲劳不是主要原因）。例如，由维护损伤或腐蚀导致的裂缝，如果裂缝通过疲劳扩展导致失效，也会被纳入分析范围。
3. 数据统计主要覆盖从1927至1981年间的事故，尤其重点关注致命事故（fatal accidents）。通过改进事故信息的收集和分析能力，有助于清晰了解疲劳问题的历史趋势。

数据收集与分类

研究中共记录了1927年至1981年间1885起与疲劳断裂因素相关的严重事故，导致2240人死亡，其中包括：
- 1466起固定翼飞机事故，涉及1861人死亡。
- 419起旋翼飞机事故，涉及379人死亡。

此外，详细分析了事故类型：
- 固定翼飞机：最常见的问题是起落架（landing gear）故障，占所有事故的37%，尽管其致命率极低（仅1%的事故涉及死亡）；其次是发动机/传动系统（engine/transmission）故障（28%）和螺旋桨（propeller）故障（16%）。
- 旋翼飞机：发动机/传动系统故障是最主要的疲劳问题（占32%），其次是尾旋翼（tail rotor）故障（24%）和主旋翼系统（main rotor system）故障（13%）。

重复发生的事故也得到了重点分析，表中列出了多次发生同区域疲劳故障的航空器机型，例如 Cessna 182 和 Bell 47 等。

主要研究结果的细化与讨论

1. 事故统计与时间趋势

   • 固定翼飞机疲劳事故的平均年度发生率为69起，而旋翼飞机疲劳事故为31起，总计年均100起严重疲劳事故。
     
   • 从数据趋势上看，自20世纪60年代中期以来，因引入基于计算机的事故储存和检索系统，事故统计能力大幅提升，但疲劳事故的总体趋势仍保持在较高水平。

2. 事故分类与具体部件分析

   • 固定翼飞机起落架的疲劳问题主要来源于设计缺陷及复杂载荷引发的应力集中现象。
     
   • 转子翼飞机的尾旋翼和传动部件常因螺栓孔、连接系统制造缺陷或腐蚀导致裂纹进而失效。

3. 裂纹起始点（Crack Initiation Sites）研究

   • 固定翼飞机的疲劳裂纹主要发生在螺栓、孔洞、焊接点和腐蚀位置，其中24%的裂缝起始点是螺栓、螺钉或螺柱。
     
   • 旋翼飞机的裂纹起始情况相似，26%的裂纹发生在螺柱或螺栓处，其次是应力集中区域（18%）和腐蚀点（15%）。

4. 重复故障的风险模型

   • 研究发现，部分航空器的特定部件曾多次由于疲劳问题导致事故。例如，Bell 47的尾旋翼在19年内发生42次疲劳事故，而 Cessna 180 的某些起落架部件在20多年内发生近10次事故。这些问题需通过进一步分析事故报告和适航性指令（Airworthiness Directives）来解决。
     

5. 发展中的研究与持续性挑战

   • 一个值得注意的趋势是，现代航空器使用的部件寿命有限，工作强度更高且设计裕度较小。螺旋桨、起落架等问题因轻型航空器的广泛应用而继续引发事故。
     
   • 与此同时，研究指出现有检测技术和设计方法在某些领域仍显不足，这需要进行更全面的结构研究和疲劳预测。
     

总结与评价

本文通过广泛调研与量化分析，全面展示了全球航空器疲劳断裂问题的形势，其价值体现在以下几个方面：
1. 提供了1927-1981年期间固定翼与旋翼飞机疲劳事故的历史记录与趋势分析，为未来研究与政策制定提供了重要参考。
2. 展现了疲劳问题对航空工业的重大挑战，强调设计、维护及检测的重要性。
3. 提出了关键施工部件及裂纹起始区域的风险模型，有助于提高航空安全性并推动新技术的发展。

Campbell 和 Lahey 的这篇综述性研究对航空领域具有重要的科学意义和应用价值，为进一步减少与疲劳相关的意外事故提供了翔实的数据依据和研究方向。