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环球快看：【趣聊航空】“钢筋铁骨”的飞机也会“疲劳”吗？

2023-05-19 11:55:12来源：光明网－科普中国

【趣聊航空】

(资料图片仅供参考)

我们知道人长时间工作会感觉累，长期服役的飞机也会累吗？答案是会的，哪怕是钢筋铁骨的飞机，结构也会产生疲劳。

那什么是结构的疲劳呢？比如铁丝弯折一次往往很难掰断，但不断弯折多次就能掰断。铁丝在循环载荷作用下，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低，但其实在弯折点已经逐渐产生局部永久性的性能变化，在一定循环次数后形成裂纹，并在载荷作用下继续扩展直到完全断裂，这就是疲劳破坏。

航空史上最著名的因疲劳导致的空难事件就是大型喷气客机“彗星”号的空中解体。由于高空飞行的“彗星”客机使用增压座舱，长时间飞行频繁起降使机体反复地承受增压和减压引发飞机铝制蒙皮的金属疲劳，金属部件产生裂纹并扩展而造成了解体事故。对事故的调查让航空界开始重视压力反复变化对飞机结构影响并研究金属疲劳问题。所以疲劳也被称为机械构件的致命杀手，机械零部件的破坏很大比例是由疲劳引起的。

那么飞行中哪些载荷容易引起结构疲劳呢？

1.机动载荷

它是由于飞机在机动飞行中，过载的大小和方向不断改变而使飞机承受的气动交变载荷。

2.突风载荷

它是由于飞机在不稳定气流中飞行时，受到不同方向和不同强度的突风作用而使飞机承受的气动交变载荷。

3.地－空－地循环载荷

飞机在地面停放或在地面滑行时，机翼在本身重量和设备重量作用下，承受向下的弯矩，但飞机离地起飞后，机翼在升力作用下，承受向上的弯矩。这种起落一次交变一次的载荷，称为地－空－地循环载荷。这是一种时间长、幅值大的载荷。

4.着陆撞击载荷

它是由于飞机着陆接地后，起落架的弹性引起飞机颠簸附加到飞机上的重复载荷。

5.地面滑行载荷

它是由于飞机在地面滑行时因跑道不平引起颠簸，或由于刹车、转弯、牵引等地面操纵而加到飞机上的重复载荷。

6.座舱增压载荷

这是由于座舱增压和卸压，而加给座舱周围构件的重复载荷。也是彗星号空难的罪魁祸首。

各种载荷的作用只是引起飞机结构疲劳的外因，而哪些部位容易出现疲劳损伤则是由于构件外形尺寸的突变或材料内部有缺陷。在交变应力长期作用下，在构件外形突变处，或材料有缺陷处出现应力集中，逐步形成了非常细微的裂纹，也叫疲劳源，在裂纹尖端产生严重的应力集中，促使裂纹逐渐扩展，构件截面不断削弱。当裂纹扩展到一定程度，在偶然的超载冲击下，构件就会沿削弱了的截面发生突然断裂。

根据部队和工厂维修实践，大量破坏事例证明：应力集中是影响飞机结构疲劳强度的主要因素，疲劳源总是出现在应力集中的部位。如开孔、开槽、倒角、螺纹等处容易出现疲劳裂纹。另外表面加工质量不高、各种装配效应都会降低结构的疲劳强度。

作为飞行员，飞机的使用环境也会对结构的疲劳强度有所影响，例如海军飞机在海洋环境中金属容易受到腐蚀，将产生“腐蚀疲劳”，使疲劳强度降低，因为腐蚀使金属表面产生无数的小应力集中点，促使疲劳裂纹的形成。在使用中，应尽力防止构件表面人为地造成伤痕。过去有不少人认为，碰伤、划伤一点，只能触及飞机结构的一点毛皮，不会影响飞机寿命。这种认识是片面的。另外还有擦伤疲劳、高温疲劳、低温疲劳、热疲劳、声疲劳等在操纵飞机时需要注意。

人累了休息休息就能够活力充沛，而金属不一样，这种疲劳是没办法恢复的，一旦出现微裂纹就是永久性的危害。并且由于总是发生在结构应力远低于设计容许最大应力的情况下，因此常常不容易引起人的注意，这也是疲劳最危险的地方。

审核：郁大照（海军航空大学）

撰稿：杨　斌

策划：吴玉良周坚毅宋雅娟肖春芳

监制：张　翼战　钊

编辑：宋雅娟肖春芳

出品：中国科协科普部海军航空大学光明网

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