高長寶

（航空工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

飛機結構是飛機各種裝備、設施的載體，是飛機實現各種任務的前提與基礎。由于飛機各系統機載設備在飛機全壽命周期內可以更換，因此，一架飛機的使用壽命一般取決于機體結構的使用壽命。當機體結構的使用壽命到達無法修理或者修理不經濟的狀態(tài)，則宣告一架飛機的壽命終止。因此，飛機結構的使用壽命評定對飛機的使用壽命評定起著決定性的作用。

1 飛機結構使用壽命指標

1.1 疲勞壽命與日歷壽命

飛機結構的使用壽命一般以飛行小時數、飛行起落數和飛行年限三個指標來表達，并以先達者為準。其中，飛行小時數和飛行起落數屬于疲勞壽命的范疇，飛行年限則屬于日歷壽命的范疇。疲勞壽命的確定，當前已經形成了以Miner線性累計損傷理論為主的一套完整、科學的分析方法。線性累計損傷理論的基本假設為：各級交變應力引起的疲勞損傷可以分別計算，然后，再線性疊加在一起，某級應力水平造成的疲勞損傷與該級應力水平所施加的循環(huán)數和同一級應力水平下直至發(fā)生破壞時所需的循環(huán)數的比值成正比。比值/稱為第級應力水平的損傷，總損傷等于各級損傷總和，當總損傷等于1 時結構發(fā)生疲勞破壞，即

式中，m 為應力水平級數。

日歷壽命的確定則需要考慮地面停放環(huán)境、空中飛行環(huán)境和載荷的相互作用，并涉及冶金、材料、力學、電化學等諸多學科的交叉，其評定方法的復雜程度顯而易見。

1.2 管理現狀

我國的軍機年飛行強度偏低，僅有日歷時間的1%～3%，有些甚至更低，大部分時間飛機處于地面停放狀態(tài)，如圖1 所示的飛機結構典型服役歷程，當飛機服役到日歷壽命到壽時，疲勞壽命往往消耗不到一半，疲勞壽命利用率只有40%～60%。造成這種問題的原因在于，雖然現有的管理方式同時考慮了疲勞壽命與日歷壽命，但是，兩個指標互相獨立，并未建立有效的聯系，疲勞壽命與日歷壽命嚴重不匹配。若以日歷壽命管理飛機的退役，在結構疲勞壽命未得到充分利用的情況下，勢必會造成巨大的浪費。因此，這種情況下，飛機往往會進行延壽來發(fā)揮其最大效能。決定飛機結構壽命的使用條件，主要包含飛機結構在服役過程中所承受的載荷-時間歷程（用載荷譜來描述），以及在地面停放和飛行中的環(huán)境-時間歷程（用環(huán)境譜來描述）。

圖1 飛機結構典型服役歷程

2 腐蝕對飛機結構壽命的影響

2.1 腐蝕對飛機結構疲勞壽命的影響

飛機長期處于各種復雜的環(huán)境中，濕熱、鹽霧、霉菌、熱沖擊、紫外線、腐蝕液等都會對飛機結構造成侵蝕。尤其我國地域遼闊，飛機在整個壽命周期內，可能會經受各種不同地域、海域、空域環(huán)境的影響，如圖2 所示為某型機平尾大軸所遭受到的腐蝕。飛機疲勞關鍵件和關鍵部位處在腐蝕環(huán)境中，隨著年限的增加，腐蝕的作用勢必使結構的疲勞品質下降，從而降低疲勞壽命?，F有的疲勞壽命確定方式，一般是在實驗室無腐蝕作用下得出的結論，忽略了飛機長期服役過程中各種環(huán)境因子的影響。飛機在高空飛行的過程中，由于環(huán)境條件較好，腐蝕環(huán)境因子影響的作用較小，處于地面停放狀態(tài)下，腐蝕環(huán)境因子的影響作用較大。

2.2 腐蝕對飛機結構日歷壽命的影響

飛機在整個日歷周期內，各種環(huán)境因素對飛機結構的作用是非常漫長的，飛機即使長年不進行飛行，結構也會老化失效。舉一個極端的例子，某架飛機常年處于沿海高腐蝕地區(qū)，另一架飛機常年處于內陸良好環(huán)境地區(qū)，兩架飛機在整個服役期內均未進行飛行，則此時日歷壽命成為衡量兩架飛機使用壽命的主要指標。很顯然，兩架飛機的日歷壽命必然存在由于環(huán)境影響而產生的差異。飛機常見的腐蝕類型有均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、絲狀腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、磨損腐蝕、微生物腐蝕和氣氛腐蝕。

圖2 某型飛機平尾大軸斷裂部位嚴重腐蝕

3 環(huán)境譜

3.1 環(huán)境譜編制

研究腐蝕對飛機結構壽命的影響，必須建立對應的使用環(huán)境譜。飛機結構的環(huán)境譜是以大量的環(huán)境數據為基礎，通過統計和折算的方法，給出對飛機結構產生腐蝕影響環(huán)境要素的作用強度、作用時間、作用次數以及它們的比例，定量描述飛機結構地面停放和空中飛行過程中所經受的腐蝕環(huán)境歷程。飛機在整個日歷周期內，各種環(huán)境因子對結構的影響是一個漫長而又復雜的過程，如果要求所編制的環(huán)境譜完全描述所有環(huán)境因子的作用與歷程是沒有意義的。

因為這樣不僅要耗費巨大的工程，而且技術實施上也有困難，因此實際工程中，通常對環(huán)境因子進行篩選和簡化。篩選的原則是剔除環(huán)境要素中對結構腐蝕、老化影響較小的因子，保留貢獻較大的部分，以達到數據簡化的目的。影響較大的環(huán)境參數一般有溫度、相對濕度、霧、凝露、雨和工業(yè)污染，并給出參數的強度、持續(xù)時間、發(fā)生頻率以及它們的組合作用。表1 為海軍某機場的地面停放環(huán)境譜，此環(huán)境譜充分展示了環(huán)境因素的綜合作用效果。

表1 海軍某機場的地面停放環(huán)境譜

3.2 加速試驗環(huán)境譜

飛機的日歷壽命一般都在20 年以上，甚至更長，因此，用真實服役的環(huán)境譜進行腐蝕試驗顯然行不通。工程上只能采用試驗室加速腐蝕的方法，建立加速試驗環(huán)境譜，進行腐蝕試驗，使模擬件在加速試驗環(huán)境譜下，用較短的時間達到與地面真實環(huán)境相同的腐蝕效果。這種當量折算法的原理是法拉第定律，因為飛機結構的腐蝕主要是由電化學腐蝕引起，電化反應中，電核的轉移與反應物質的變化量之間有著嚴密的等量關系，根據腐蝕量相等準則，可以引入折算系數，從而建立加速試驗環(huán)境譜。如圖3 為當量加速試驗環(huán)境譜。

4 使用壽命評定

4.1 腐蝕條件下疲勞壽命評定

以一般環(huán)境（室溫大氣）下疲勞壽命定壽結論為基礎，引入腐蝕影響系數，將腐蝕條件下飛行小時數等損傷地折算為當量的一般環(huán)境飛行小數，以其達到腐蝕條件下的疲勞壽命評定。

（1）定義腐蝕影響系數β，即

圖3 加速試驗環(huán)境譜

（2）分析處理飛機使用地區(qū)的環(huán)境因素，假設溫度、相對濕度對疲勞壽命的影響系數分別為 Τα、 Ηα。

（3）對于其他環(huán)境因素，如海水、鹽霧、工業(yè)廢氣等，同樣可根據實際情況確定壽命影響因數 Εα。

（4）通過試驗或者分析得到飛機結構在一般環(huán)境中的疲勞壽命fL，則依據各影響系數可得到飛機結構腐蝕條件結構疲勞壽命為

4.2 腐蝕條件下日歷壽命評定

文獻[1-3]基于腐蝕的觀點，給出了飛機結構日歷壽命Y的計算公式：

式中，n為飛機飛機的翻修次數；mλ為飛機結構防護圖層的日歷壽命；λ為機體結構腐蝕到損傷容限 cD所要的時間。

式中：hi為實際環(huán)境譜中各級溫濕度下的年小時數；Hi為T（溫度）-H（時間）曲線中的i 級溫度腐蝕至損傷容限所對應的小時數；j 為m 種腐蝕溫度譜中的某一種；m 為腐蝕溫度譜的種類數；k 為溫度級數。科學合理的機體材料的T-H 曲線是通過該模型獲得飛機結構日歷壽命的關鍵。

5 使用壽命的跟蹤監(jiān)控及控制

一直以來，飛機結構的使用壽命被認為是不可控的，即人們認為飛機只能被動地使用，直至飛機到壽停飛退役。然而，從腐蝕對飛機結構使用壽命的影響可以看出，結構的使用壽命與載荷、環(huán)境息息相關。通過合理的控制與調控，可以實現對飛機進行單機壽命追蹤，達到壽命的主動控制而不是被動消耗。單機疲勞壽命跟蹤監(jiān)控是在不影響飛機正常使用的情況下，在飛機上安裝監(jiān)控儀器和數據記錄系統，并經地面數據處理設備的系統處理、轉換和計算，確定飛機結構上所監(jiān)控的危險部位的壽命消耗情況。當前，航空業(yè)主要有兩種壽命跟蹤手段，一種是飛行參數監(jiān)控，另一種是直接應變監(jiān)控。

6 結語

飛機的疲勞壽命與日歷壽命評定是一個綜合性復雜的多學科問題，在今后我國飛機研制階段，應特別注意疲勞壽命和日歷壽命指標的合理性，建立完善的使用壽命評定體系，加強新型防腐技術的研究，同時，應加強飛機的腐蝕監(jiān)控與檢測技術的研究，實現飛機的單機壽命監(jiān)控，使飛機的使用壽命從“被動消耗”到“主動控制”模式的轉變。