特此致謝刑有光將軍撰文並允發布
前言
美國聯邦航空法規第23章及第25章是規範設計飛機時所必須達到的適航標準，第23章應用於小型及通勤飛機，第25章應用於大型商用運輸飛機，它們包括了飛機性能、飛行操控特性、飛機結構、設計製造、發動機安裝、系統裝備以及飛行限制等規定。不過要注意的是這兩章法規的目的並不是教你如何設計飛機，而僅僅是規定在從事飛機設計時所要滿足的最低安全需求。此外，這兩章以及第27、29、33章(直昇機與發動機的適航標準)大概是美國聯邦航空法規裡面最具學術性的規定，也包括了一些數學公式，如果你不是航空工程系所出身，大概是很難了解其中的要求及內涵。本文最主要的目的是用普通的語言來說明美國聯邦航空法規第23章是如何要求小型及通勤飛機的結構設計，有了概念之後，再來看看飛機在空中解體的可能性有多高。
飛機機體結構設計概念
在「通往美國航空工業之路」和「飛機製造工時」兩篇中，我們已提到過一個名詞：機體，它就是飛機的外殼，飛機的結構體，一般而言它包括了機身、機翼、尾翼、發動機掛架及起落架等部份，把這些東西組裝起來就是一架完整的飛機外殼，其所使用的材料大部份是金屬，如鋁合金、鈦合金及鋼材等等，或者是不屬於金屬性質的複合材料。由於飛機在飛行的時候，整架飛機是在承受各式各樣不同的力的情況，例如：地心引力、空氣動力、慣性力、飛機機所產生的推力以及客艙內外壓力差等等。如果天氣狀況良好，飛機平穩的飛行，不加速也不減速，你坐在裡面舒舒服服地就達到你要去的目的地。但是如果天氣狀況不好，也就是空服員在飛行時常播報的一句話：「各位旅客，現在因為飛機遇到不穩定的氣流，請回到座位繫好安全帶」，此時所謂的氣流不穩定就是遭遇到來自不同方向的氣流，像陣風一樣作用在飛機上，空服員也可能播報遇到了亂流，這是指飛機通過空氣密度分布不均勻的地帶，因而飛機在飛行時會上下跳動，你若是坐在窗口位置，你會很容易地看到機翼上下擺動的很厲害，幅度也很大，如果用比較學術化的字眼，可以說飛機正在承受不同的G值負載，整架飛機忽上忽下，你坐在飛機內就很不舒服了。
飛機在飛行的時候實際上一直承受著各式各樣大小不同的力和力矩，(力矩是力乘以距離)，在飛機結構分析的術語上，我們統稱這些力與力矩為飛機結構的負載。在設計飛機結構時，必須考慮這些負載以及所選用的結構材料，同時要考慮如何讓這些負載通過適當的結構安排，分佈和傳遞到不同的結構元件上來承擔這些力量。基本上飛機結構元件的安排要儘量避免突然的轉折，即使非要有所轉折，也希望轉折的半徑要愈大愈好，因為這些結構元件轉折處常是受力最集中的地方，最容易產生斷裂的現象。飛機上的大樑、縱樑、隔柜、以及飛機之蒙皮等等就是用來承受這些負載的結構元件，當這些負載大到某一程度時，飛機的結構就會產生變形，當這些負載消失時，結構便恢復原狀，這個情形就有點像是你在拉一條橡皮筋，當你拉它時(力量作用在橡皮筋的兩端)，橡皮筋變長了(變形)，當你鬆手時，橡皮筋就恢復原狀了，不過當你一直用很大的力量持續拉它時，橡皮筋就有可能被拉斷，飛機會不會產生這種情形，你猜猜看？
美國聯邦航空法規結構設計要求
在談美國聯邦航空法規第23章的結構設計基本要求之前，先用淺顯文字介紹幾個專有名詞，第一個名詞是「最大負載」，最大負載的意思是說飛機在其一生的飛行過程中，它可能遭遇到最大的負載，也就是飛機在其一生的飛行情況下，可能會碰到的最糟糕情況！亦即所承受力為最高的力量。第二個名詞是「極限負載」，極限負載的意思是將上的最大負載乘1.5倍作為設計安全係數。首先美國聯邦航空法規第23.305章節的要求是飛機的結構在最大負載的情況下，飛機的結構雖然允許產生變形，但是不能有永久變形，也就是說負載消失時結構要能恢復原狀，同時在變形的過程中，飛機仍然能安全的操作。舉個例子來說，當飛機結構變形時，如果設計不當，很可能結構與飛機操縱機構產生干擾或磨擦的現象，進而影響飛安。在美國聯邦航空法規中，這種情況是不被允許的。同時，美國聯邦航空法規第23.305章節中亦規定飛機若在承受極限負載時，雖然允許結構有局部的損傷，但整架飛機結構仍然要能承受極限負載至少三秒鐘的時間。別看條文的規定很簡單，要如何證明所設計的飛機能夠滿足這些要求就不簡單了，其方法便是要用結構分析報告及地面試驗來驗證。在地面上用很多個液壓致動器所產生的力量來模擬飛機在空中所承受的負載，來觀察飛機變化的情形，這就是所謂的靜態結構測試，其主要目的是驗證當最大負載或極限負載作用於飛機結構的那瞬間，飛機是否有足夠的強度來承受。別小看它，如果沒有完成靜態結構測試，美國聯邦航空總署的試飛員是不會上你的飛機的！這也是獲得美國聯邦航空總署之型別檢查授證的先決條件之一。
現在再介另一個專有名詞：「疲勞」，疲勞是研究飛機結構材料特性以及初期裂紋的產生及其生長。一般而言，例如鋁合金的結構元件在承受周而復始的負載時，也就是當鋁合金在承受周而復始的力量時，它可能會產生裂紋，結構失去原有之強度，如果你不去作適當的處理，這個裂紋就會愈長愈大，也會愈來愈長。就好像你的汽車前面的風擋被外力(例如被小石頭彈撞上來)擊破時，風擋上就會產生裂紋，你若不去修補它的話，每天繼續開車，它就會向外愈伸愈長。飛機的結構亦是同樣的情形，但是如果你發現飛機的結構有裂紋時，加以適當的處理，例如修補加強，使飛機結構的強度回復到原有的強度時，這個時候就好是一架新飛機一樣的牢固，這個觀念就是所謂的「損傷裕度」或損傷容忍度，其含意是當飛機結構受到損傷時，這個受損的結構元件，它的結構殘餘強度仍能承受負載照常飛行，一直到這個損傷能被檢查出來。因此美國聯邦航空法規第23.573章節裡就規定在設計飛機結構時，必須把「損傷裕度」加入。
在進一步解釋損傷裕度之前，再向大家介另一個名詞：「飛行剖面圖」或「任務剖面圖」，它是為完成某一特定飛行任務而繪製的飛機航跡圖形﹐按航跡所在平面又可分垂直飛行剖面和水平飛行剖面，經常使用的是垂直飛行剖面。它的含意是說所設計的飛機交給客戶後，在飛機的一生中要如何的使用這架飛機，最典型的例子每一趙飛行包括下列幾個階段，起飛基地為原點﹐由滑行、起飛、爬昇、平飛後再爬昇至某一高度，再平飛一段再爬昇至所規定的飛行高度，進行至目的地的巡航平飛、（若有必要則機動飛行)、快到目的地時開始下降至某一高度、再平飛再下降至某一高度、平飛、下滑進場、著陸和滑行回停機坪，每個階段均有不同的負載情況。在結構設計之初，就要考慮好這架飛機在上述的飛機任務使用情形下，它的生命周期要有多長，也就是說飛機的壽命要多長，是2萬小時或3萬小時呢？在設計飛機結構時，你也必須根據元件製程，假設及分析在甚麼地方可能會產生裂紋，而對這個裂紋之成長作一個評估，在裂紋成長期的結構殘餘強度必須能繼續承受負載，一直到這個裂紋被偵測出來，加以補強後回復至原有的強度，以確保飛行的安全。美國聯邦航空總署除了要求你必須有詳細的分析之外，尚須如同靜態結構測試一樣，在地面進行疲勞及損傷裕度結構測試，以驗證試驗的結果與分析是吻合的。為了要模擬飛機之生命週期，這個試驗的時間是很長的，一年二年是常有的事。即使是已經開始量產交機給客戶後，這個試驗可能仍在進行，不過只要試驗的時數永達領先客戶實際飛行的時數，即可被美國聯邦航空總署接受。疲勞及損傷裕度結構測試的最主要目的是驗證飛機結構在承受周而復始的負載時，飛機結構產生的裂紋，要在當的時機檢查出來並加以修補。
從上述的說明中，有一個重要的假設，就是裂紋要能被偵測出來，損傷裕度才有意義，你可能立刻就會瞭解到飛機結構檢查的重要性。因此美國聯邦航空法規第23.575章節中就要求必須要有一個結構檢查的規定、何時檢查、如何檢查，也就是檢查手冊，來避免飛機的一生中結構產生了嚴重之損傷，甚至解體。檢查飛機結構的方法很多，最簡單的方法就是目視檢查，不過有些裂紋不是肉眼可以看到的，裂紋也可能產生在結構元件的裡面、表面上看不出來，因此必須用其它的方法來檢查，也就是非破壞性檢查，例如：X光、渦電流、染料滲透、磁粒子或超音波等等，因為這些涉及到檢查的專業，就不在這裡詳細解說。
結語
從美國聯邦航空法規的規定來看，它對飛機結構設計的要求很高，首先在負載分析就必須很保守，要求將飛機一生之中，可能承受的負載無論是氣動力負載、慣性負載、不穩定氣流負載等等均須全部列入設計之考量，這還不夠，尚須用地面測試的方法來模擬空中受力情況，以驗證設計之正確性，同時尚要訂出一套飛機在其生命周期中的檢查手冊，它包括那些方要檢查、何時需要檢查、飛行多少小時後要檢查、還要規定需要用甚麼方法來檢查，這些檢查的方法除了目視檢查外，並且要用所謂的非破壞性檢查。檢查發現到的裂紋、腐蝕的情況要用原廠同意的方法來修補，使飛機恢復到原有設計之強度，甚至高於原來設計之結構強度。更有甚者，飛機出廠交給客戶使用後，因實際操作的情況所發覺的問題均需考慮納入原有之計畫，因此你可以想像的出來在這麼嚴密的要求下，只要使用者依製造廠商規定確實檢查與修補，將是飛安的最大保證。
0 留言:
張貼留言