F-111左枢纽接头下缘的疲劳裂纹

  飞机结构的疲劳破坏最常发生于几何形状不连续处,因此在维护延长服役年限的老飞机时,对一些几何面积变化较大的位置,如︰R角、铆钉孔边……,都得特别留意。比较麻烦的是有些结构件在原本的设计负载下,预期使用期间不会有疲劳破坏的顾虑,因此未留下检查进手空间,或是结构需大部拆解后才有办法检查,这些位置在延长服役期间如果未能检查,就会有相当的潜在飞行安全风险。

  2007年11月2日上午,一架隶属于美国密苏里州空中国民兵(Air National Guard)的F-15C,在执行训练任务时突然空中解体,就是上述顾虑的最佳例证。

  失事当时,这架编号80-0034的F-15C正执行基本战斗机机动(Basic Fighter Maneuvers)演练,与僚机进行一对一的空中攻击及防御动作训练。在进行第二次的接战练习时,失事机以450节的空速快速右转,机体承受负载约为7.8G,此时机体开始剧烈抖动,飞行员立即将飞机改为平飞状态,机体承受负载迅速降到1.5G,数秒钟后,前机身于座舱罩后面位置处断裂并与机体完全脱离,机体空中解体为两截,所幸飞行员跳伞后平安获救。

F-15C 80-0034空中解体示意图

  失事后的调查报告显示︰失事发生原因为机身斜站位(Canted Fuselage Station)CFS337处的右侧上纵梁断裂,失事机上纵梁残骸经金相分析(Metallurgical Analysis)后,发现破断面处的厚度仅有0.039英吋(不到一毫米)到0.073英吋,完全不符合蓝图规定的0.090到0.110英吋厚度,且上纵梁表面粗度(surface roughness)也较蓝图规定粗糙。过薄的破断面直接造成上纵梁局部应力大幅升高,在反复的飞行负载作用下,上纵梁很容易由粗糙面产生多处的疲劳初始裂纹,继而在后续的飞行负载中持续成长,最后导致上纵梁完全断裂。

问题就出在这根纵梁上

对其他F-15检查后也发现了裂纹

  这架F-15C于1982年开始服役,失事时飞行时数接近5,900小时。F-15C原始设计规范为“安全寿命”(Safe Life),服役寿限为4,000飞行小时,在美国空军颁布“容许损伤”(Damage Tolerance)设计规范后,重新依据此规范进行分析,服役寿限延长到8,000飞行小时,并以16,000飞行小时的全机疲劳试验来加以验证。由于分析数据显示上纵梁的裂纹成长寿命高达31,000飞行小时,依据设计规范其定期检查时距为15,500飞行小时,远超过飞机的服役寿限,且上纵梁在全机疲劳试验过程中也未发现有任何损伤,所以虽属攸关飞行安全的主要结构件,但在服役期间内并不需要进行定期检查。

腐蚀

  腐蚀是个存在已久的老问题,亚热带高温潮湿的环境更有利于腐蚀的发生。本质上,腐蚀是个无法避免的过程,只能以适当的处置来延缓其发生或降低带来的损害,明白了常见的腐蚀及其预防或处置方式,对飞行安全或节省维修经费,都会有莫大的帮助。

  广义来说,腐蚀是指材料受到环境介值预期外的侵袭所造成的材料性质退化。不论是金属、聚合物(polymer)、或陶瓷(ceramic)……皆难逃腐蚀。这是因为在自然界里,材料以矿石中硫化物(sulfide)或氧化物(oxide)型态存在的情况最稳定,一旦经由各种精炼过程成为纯物质或合成物质的型态,就成为不稳定状态,而腐蚀就是材料恢复稳定的一种方式。例如:自然界的铁是以氧化铁的形式存在于矿石中,经过提炼之后成为纯铁或合金钢,但在岁月的侵袭下,终究会恢复到生锈的氧化铁。

  一般人都有个错误的观念,认为腐蚀与空气湿度有直接的关系,因此潮湿的东南亚地区较容易发生腐蚀,而干燥的北美或欧洲大陆,则较不会有腐蚀的困扰。事实上,腐蚀的发生与空气绝对湿度(Absolute Humidity)关系甚微,与空气相对湿度(Relative Humidity)则密不可分。此处的空气绝对湿度就是一般人所认知的空气湿度,它是指在某一温度下,空气中所含的水蒸气含量;而空气相对湿度则是指在某一温度下,空气中的水蒸气含量与该温度下空气所能容纳的水蒸气最大含量之比值。当空气相对湿度到达某一临界值(Threshold)时,水蒸气会在金属表面形成水膜,促使电化学(electrochemical)反应发生,进而加快腐蚀速率,因此东南亚地区的年平均空气绝对湿度固然高于北美或欧洲大陆地区,但两地区的年平均空气相对湿度则未必一定如此,事实上,全球大部分地区的年平均空气相对湿度大约都在70%到80%之间,换言之,不论是东南亚地区或是大陆型气候的美国,都会遭遇到相同程度的腐蚀问题。

金属腐蚀的电化学反应

  所谓的电化学反应,是指金属在常温下与水或其它电解质间,由于电子的转移而发生的化学反应。要完成此反应需具备四个要素︰释放电子的阳极、接收电子的阴极、与电子发生化学反应的电解质、连接阴阳极的电路。

  以最常用的干电池为例︰干电池的外壳为锌(阳极),正中央为石墨碳棒(阴极),处于锌外壳与石墨碳棒间的,是以氯化铵(NH4Cl)为反应主体的糊状物电解质,由于锌的活性较石墨来得大(见附表),因此会释放电子变成锌正离子,电子与氯化铵产生化学反应,形成的电子流通过外导线可提供一点五伏特的电压,而锌正离子则与电解质中的其它物质形成稳定的化合物,故干电池使用一段时间后,锌外壳就会逐渐稀薄被“腐蚀",形成常见的干电池外壳乌黑生锈现象。

  腐蚀会减损材料的承载面积,使结构无法承受原先的设计负载,不但造成飞行安全顾虑,而处理腐蚀也并不便宜。根据美国国防部2012年的一份研究报告,2008到2009年间,美国空军每年在处理腐蚀上的花费接近50亿美元,占美国空军年度维护经费近四分之一,腐蚀所导致的巨大经济损失,由此可见。

  飞机结构中最常见的金属腐蚀有︰麻点腐蚀(pitting corrosion)、异电位腐蚀(galvani ccorrosion)、鳞落腐蚀(exfoliation)、应力腐蚀(stress corrosion),以下分别就其原因、现象、预防或处置方式进行探讨。