飞机疲劳失效适航规章演变历程回顾：安全寿命设计相关的适航规章

原创 林建鸿、王彬文 航空之家

自 1903 年人类实现有动力飞行以来，飞机结构的疲劳失效一直都是影响飞机运行安全的一个主要问题。在经历了各种影响飞行安全的事故之后，适航监管部门为了确保飞机运行安全性，尽可能地减少各种事故对生命的威胁，一直都在努力改善飞机的适航规章，以保证飞机制造商能够研制出符合用户要求的各种型号飞机，并且在飞机的研制、运行和维修的过程中，在保障安全的前提下，尽可能地降低成本。

本文通过介绍与飞机疲劳失效相关的各种事故，回顾与飞机结构疲劳失效相关适航规章的演变历史，以及规章中为减少飞机发生疲劳失效提出的通过试验手段验证飞机结构安全的各种要求的形成过程；

最终明确了通过不同层级的积木式试验来构建试验金字塔，完成逐级试验验证，是飞机研制实现适航规章安全要求的基础，也是减少飞机结构发生疲劳失效，保障使用安全，实现经济化运营与维修的有效途径。

本文通过对与疲劳失效相关的适航规章演变历程的回顾，揭示现行的适航规章条例的演变，该演变过程是对飞机结构设计要求的不断细化，对历史上各种飞机发生疲劳事故的经验教训进行分析、总结，逐步完善的结果。试验验证则是保证飞机强度设计与制造符合适航规章要求的基础和根本手段。国外相关规章的完善与实施，基本上都是军机在前，民机在后。这对国内飞机研制工作的开展具有十分重要的参考价值。

与安全寿命设计相关的适航规章

1.1 早年与结构疲劳问题相关的飞机失事

1903 年，莱特兄弟开始尝试人类第一次有动力飞行时，其试飞过程就由于金属零件的疲劳破坏而被迫延迟。在正式的试飞开始之前，螺旋桨的空心转轴上就出现了一条裂纹。随后，一个支柱的安装部位和钢丝支架也出现了问题。在更换了一根从俄亥俄州运来的实心螺旋桨轴之后，试飞才获得了成功。莱特兄弟研制的飞机在1908年所发生的空难也是由于飞机上的一个支柱配件和翘曲滑轮托架出现故障所造成的。这也是航空史上导致乘客死亡的第一起空难事故。

20世纪的前20年，也就是在定期运送旅客的商业航空公司出现之前，对飞机疲劳失效的关注和相关研究大多与非结构性构件有关，其中包括操控钢索、螺旋桨轴、发动机、阀门弹簧、连接连杆曲轴和其他机械构件。由于当时飞机的飞行速度较低，滑翔性能良好，由机械故障导致的意外事故通常不会对乘客的生命安全构成威胁。

在这一时期，飞机结构的设计主要基于静强度和刚度的要求来进行。由于当时飞机构型的更新速度很快，大多数型号的飞机在其结构强度出现疲劳退化问题之前，就已经被新型飞机所淘汰。所以，这个时期由于疲劳失效造成的飞机结构失效事故只是偶有发生。为了减少机械故障不断发生，那时人们已经认识到可以通过加强飞机零部件制造质量控制、减小表面粗糙度或者进行小幅度的重新设计等手段来减少机械故障的发生。

这样的状态一直持续到20世纪20年代末。1927年9月，在德国东部施莱茨附近，一架汉莎航空公司的Dornier Merkur上单翼飞机发生了坠毁事故，造成6人死亡。这起事故开始引起人们对飞机结构疲劳问题的关注，开始意识到飞机结构的疲劳问题会成为影响飞机飞行安全的一个隐患。

1929 年 6 月 17 日，英国帝国航空公司的“City of Ottawa”飞机（Handley Page w.10）由于发动机故障而迫降在邓杰内斯附近的英吉利海峡，这次坠机造成了 7 人死亡。事故调查结果发现，造成右舷发动机发生故障的原因是该发动机的4号曲轴连杆因大端轴承螺柱发生了疲劳失效而导致连杆发生了断裂破坏。

1.2 与安全寿命设计相关的适航规章

自20世纪20年代末，由于商业运输机机体结构疲劳破坏造成的事故逐渐增多，相关问题的发生没有得到有效的控制，由此推动了相关领域研究工作的开展，也使得美国适航当局在1949年颁布了第一个与飞机疲劳强度相关的适航条例 CAR 4b.316。

这一条款要求，所设计的飞机结构在使用过程中，应当避免在应力集中的部位出现超过材料疲劳极限的状况。这意味着在飞机结构的设计过程中，需要通过疲劳耐久性设计分析，将飞机结构的可变应力幅度控制在材料的疲劳极限以下，并由此推算出相关结构部件的疲劳寿命。在飞机投入使用后，在相关部件或结构达到其疲劳寿命之前必须对其进行更换或者退役。

这 样 的 设 计 原 可 以 概 括 为“退役保安全 ”（safety by retirements，SBR），即“安全寿命”。SBR设计的基本要求就是在飞机使用寿命期间，机身部件或结构中不会产生疲劳裂纹。但是，CAR 4b.316 并没有对飞机的使用寿命提出明确的要求。

未完待续……

原标题：《飞机疲劳失效适航规章演变历程回顾：安全寿命设计相关的适航规章》

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