B-47机翼结构的关键部位

  为确定其它机型是否有相同的结构安全疑虑,美国空军当时的参谋长(Chief of Staff)李梅将军(Curtis LeMay)于1958年6月12日非正式地批准莱特空中发展中心(Wright Air Development Center)规划的飞机结构完整性项目(Aircraft Structural Integrity Program),此项目主要目的为:一、控制现役机队的结构疲劳问题;二、开发正确预测飞机服役寿命的方法;三、提供设计及试验方法,避免现役机队发生结构毁坏。

  美国空军当年并发布一份技术备忘录WCLS-TM-58-4,标题为《结构疲劳验证计划细部需求》(Detail Requirements for Structural Fatigue Certification Programs),规定在飞机结构的设计阶段,需根据以往经验搭配最新理论执行疲劳分析,并以全机静力试验及全机疲劳试验进行验证;飞机的设计使用寿命(即:安全寿命)为全机疲劳试验所验证的飞行时数除以一安全系数(通常是4),以计入材质、制造、组装过程、负载、……等不确定因素;服役阶段需执行机队飞行负载量测,获得飞机的真实飞行负载,以持续更新设计阶段的疲劳分析数据,确切掌握飞机结构的使用寿命。

  1958年11月19日,李梅将军正式批准飞机结构完整性项目,1961年9月美国空军发布ASD-TN-61-141《空军结构完整性项目详细需求与状况》(Detail Requirements and Status Air Force Structural Integrity Program),明订对飞机结构的详细需求。此文件也就是今日美国空军仍奉行不逾的军用规范MIL-STD-1530《飞机结构完整性项目》的滥觞,它规定飞机由构想、设计、分析、试验、试飞验证到实际进入生产阶段,以及在部队服役时,必须遵循一系列标准的工作项目,以保证飞机能满足原先的设计需求,并保障飞机结构于后续服役期间的安全。

破损安全

  “彗星”1与B-47事件促成了飞机结构设计观念的改变,美国民航局在1956年2月7日修订航空器适航文件,新增的CAR 4b.270章节内,对大型客机结构(含加压客舱 )的适航认证有更明确的规范,规定除了“疲劳强度”(Fatigue Strength,也就是“安全寿命”)设计外,飞机制造公司也可采用“破损安全强度”(Fail-Safe Strength)设计。

  飞机结构中,那些大幅负担空中、地面、舱压负载,一旦损坏又未能发现时,最终会造成飞机坠毁的结构零组件,称为主结构(Principal Structural Element),如:机身上纵梁、机翼蒙皮……等。“破损安全”设计要求当飞机某一主结构局部损坏或完全破坏时,在飞机负载大小不超过百分之八十的限制负载乘以1.15动态因子(Dynamic Factor)的条件下,主结构的负载会由邻近的其它结构分担,飞机不会因结构过度变形致使飞行特性大幅度恶化,也不致有立即的毁灭性破坏顾虑。

  在适航认证时,“安全寿命”设计的飞机需有主结构的疲劳分析或试验,且需执行机内舱压与机外气动载荷合并作用下的全机疲劳试验;而采“破损安全”设计的机体,需以分析或试验的方式证明,在前段所述的静力负载(Static Load)作用下,主结构强度符合设计需求(例如:在施加负载下切断一主结构件,或是在机身蒙皮上切出一条短裂缝,此时邻近的其它结构仍能承担规定负载),不硬性要求全机疲劳试验,且旧型飞机雷同设计观念下的服役经验,亦可做为适航佐证。至于是否需对主结构进行定期检查,虽然一般都认为应该要有,但在主结构发生不明显损坏时,是否应依据邻近其它结构的剩余寿命订定检查时距,适航文件中没有明文规定。

  “破损安全”设计观念的基本论点,是飞机主结构一旦发生损坏时,在飞行中会使飞行特性明显改变,在地面则是很容易会被一般的目视检查发现,因此只要是在正常的维修或操作情形下,就能防止主结构突然的致命性毁坏。就疲劳而言,这种设计的结构只要无损坏,几乎就可无限期使用,既无需定期更换,也不必订定特定的检查作为,加上未强制执行全机疲劳试验,节约飞机经营成本的优点显而易见,因此当美国民用航空局颁布新规定后,绝大多数的客机主结构都改采这种设计方式。

  “破损安全”设计乍看之下飞机结构更加安全,但这种设计本身并未保证主结构的损坏一定很明显。换言之,当主结构损坏后的飞行特性无明显改变,主结构又无强制性的定期检查时,将导致无法及时发现结构损坏并修复,飞机虽然没有立即的飞安顾虑,但主结构负载转由周边结构分担后,加诸于邻近结构的负载大幅增加,如果此负载继续维持一段时间,邻近结构很可能很快就会因疲劳、腐蚀、机械……等因素陆续损坏,最终必会危及飞安。

  70年代初期,欧美国家一些民航单位的适航认证人员,开始对“破损安全”的飞机结构长久安全性有所质疑,英国民航局(Civil Aviation Authority)在相同的顾虑下,限制第一代“破损安全”设计的波音707机型在英国国内的安全寿命认证为60,000飞行小时,藉以保障其服役期间的结构安全,而英国的适航规范委员会(Airworthiness Requirements Board)也从1977年3月起,召集英、美的飞机制造业者和美国联邦航空局代表,进行一系列相关的会议研讨,可惜的是当这些会议正在进行中时,就发生了1977年的波音707陆萨卡(Lusaka)事件,暴露了“破损安全”设计的缺失。

波音707陆萨卡空难

  1977年5月14日接近正午时,一架隶属于英国丹尼航空公司(Dan-Air Services Ltd)的波音707-321C货机,由伦敦飞往赞比亚(Zambia),在天候良好情况下将降落于陆萨卡国际机场时,距跑道头约4公里处右水平尾翼突然完全飞脱,飞机立即从约240米的高度垂直下坠,直接撞击地面并起火燃烧,机上5名机员及1名乘客丧生。波音707的设计寿命为20,000飞行架次,失事飞机1963年出厂,当时已飞行16,723架次,47,621飞行小时。