金属疲劳力学的诞生

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  在世界民机发展史上,科技进步的道路往往不是一帆风顺的,其间要遭遇许多挫折、失败甚至灾难,喷气式客机的发展亦不例外。
  作为世界上第一款喷气式客机,英国德哈维兰公司研制的“彗星”可谓命运多舛。从1952年10月到1954年4月的短短18个月时间里,在已经交付的17架“彗星”中,就有6架相继发生事故,99名旅客和机组人员遇难。
  1952年10月26日,英国海外航空公司(BOAC)的一架“彗星”在意大利罗马起飞时严重损坏。
  1953年3月3日,加拿大太平洋航空公司的一架“彗星”在卡拉奇机场起飞时坠毁,机上11人全部遇难。5月2日,BOAC的一架“彗星”在印度加尔各答失事,机上43人全部遇难。6月25日,法国UAT公司的一架“彗星”在塞内加尔的达喀尔严重损坏。
  1954年1月10日,BOAC的一架“彗星”在意大利厄尔巴岛上空7800米处解体。4月8日,BOAC的又一架“彗星”栽入意大利那不勒斯湾,机上21人罹难。至此,全部“彗星”停飞。
  “彗星”陨落,震惊了世界。英国首相丘吉尔下令,要不惜一切代价搞清事故原因。为此,英国海军出动舰队,把在厄尔巴附近海域失事的飞机残骸从上百米深的海底打捞起来,送到英国皇家飞机研究院进行研究。
  调查发现,空难死者的肺部有因气体膨胀而引起的裂痕,说明失事前机舱内气压突然减小,使肺内气体急剧膨胀而导致肺部破裂。而对飞机残骸的研究表明,部分舷窗出现了裂痕,这一发现与尸检结论相吻合。
  与此同时,德哈维兰公司对正在生产和已经停飞的飞机进行严格检查,并将一架飞机放在水槽中进行试验,对水体反复加压,加大流速,模拟飞机在空中高速飞行时受到的各种力的影响。这项试验进行了9000多个小时,飞机蒙皮出现了裂痕,与失事飞机残骸上的裂痕一样。
  经过技术人员研究分析,事故是由制造飞机机体结构的金属材料“疲劳”所致。所谓金属疲劳,是指一种在交变应力作用下,金属材料发生破坏的现象。机械零件在交变压力作用下,经过一段时间后,在局部高应力区形成微小裂纹,再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性、位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点,不易被及时发现。
  “彗星”飞机方形舷窗处的蒙皮,在反复增压和减压的冲击下,产生变形、裂纹,最终导致金属疲劳断裂。此前,金属疲劳的问题尚未引起人们的关注,而作为世界上第一种喷气式客机,“彗星”比其他客机都飞得快,承受的压力自然也大,更容易产生金属疲劳问题。由此,通过对“彗星”事故的调查,诞生了一门新的学科一一“疲劳力学”。
  此后,航空界开始对金属疲劳问题进行系统研究,并提出了一些有针对性的解决方案。例如,“彗星”客机采用方形舷窗,在舷窗拐角处容易出现金属疲劳导致的裂隙。为了避免这一问题,现代客机舷窗采用圆形或设计有很大的圆角,有效减小了应力集中,提高了金属疲劳强度。
  创新是有风险的。“彗星”是金属疲劳的牺牲品,为此付出了高昂的代价。但是,金属疲劳力学的诞生使世界航空业的发展受益匪浅,对不断提高飞行安全发挥了重要作用。
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