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冷戰(zhàn)結束后,由于東西方的軍事對峙趨緩及全球性的經濟不景氣,各國的國防經費都遭到大幅度縮減,使大多數(shù)的軍用飛機都需要延長使用年限,如此雖然可節(jié)省采購新機的花費,但老飛機結構上令人頭痛的疲勞與腐蝕,則是延長服役期限時必須嚴肅以對的課題。 1 前言 東西方冷戰(zhàn)時期,西方軍用飛機的設計使用年限通常是20年到30年,為了維持對蘇聯(lián)的軍事優(yōu)勢,這些軍用飛機在到達使用年限后都會予以退役,但自1991年蘇聯(lián)瓦解后,雙方的軍事對峙一夜之間驟然消失,維持軍事優(yōu)勢已無必要性,加上本世紀初的全球性經濟不景氣,國防經費遭到大幅度刪減,使得許多的軍用飛機在到達使用年限后仍然得繼續(xù)服役,部分機型的服役時間甚至高達50年以上。 B-52“同溫層堡壘”(Stratofortress)轟炸機是冷戰(zhàn)時期美國的核轟炸主力,后一架B-52H于1962年出廠,原本預定在服役30年后的1992年退役,如今美國空軍決定該機得繼續(xù)服役到2040年,屆時服役時間將逼近80歲,堪稱是爺爺級的古董機。而于1961年進入美國空軍服役的T-38“禽爪”(Talon)噴氣教練機,原設計服役壽命為7,000飛行小時,但經過數(shù)次性能延長服役壽命后,在2013年時的實際飛行時數(shù)已達15,000飛行小時,等到預計的2026年退役時,實際飛行時數(shù)將達23,000小時,為原本設計值的3倍多。 T-38在1997~2001年的世紀之交更換了全新機翼,老機得以開新花 延長飛機使用年限固然可以省下采購新飛機的經費,但伴隨著飛機使用時間的增加,飛機結構的疲勞(fatigue)及腐蝕(corrosion)問題也會隨之一一浮現(xiàn)。根據一份1997年發(fā)表的研究報告,從1954年到1995年這40年間,全球共約發(fā)生2,800次飛機失事,其中由于結構問題導致的有67件,原因及百分比為︰其它及設計不良各占10.4%、維修不良占7.5%、超負荷(overload)占28.4%、疲勞及腐蝕占百分之43.2%。結構問題中疲勞及腐蝕危害烈,幾乎占了一半,可見要維持老飛機的飛行,必須對結構疲勞及腐蝕有正確的認知及處置,而這也是目前各國空軍現(xiàn)正面對的首要課題。 結構疲勞破壞典型破斷面 2 疲勞 疲勞是指在低于材料極限強度(ultimate strength)的應力(stress)長期反復作用下,導致結構終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結構應力遠低于設計容許應力的情況下,因此常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺,這也是疲勞危險的地方。 材料在承受反復應力的作用過程中,每一次的應力作用稱為一個應力周期(cycle),此周期內的材料受力狀態(tài),由原本的無應力先到達正應力(拉伸應力),然后到達負應力(壓縮應力),后回到無應力狀態(tài)。在此受力過程中,每一個應力周期所經歷的時間長短(即︰頻率)與疲勞關系甚微,應力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時機;另外,壓縮應力不會造成疲勞破壞,拉伸應力才是疲勞破壞的主因。 材料承受反復應力的作用過程 疲勞破壞大致分為兩類︰低周期疲勞(low cycle fatigue)及高周期疲勞(high cycle fatigue)。一般而言,發(fā)生疲勞破壞時的應力周期次數(shù)少于十萬次者,稱為低周期疲勞;高于此次數(shù)者,稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應力較大,經常伴隨著結構的塑性變形(plastic deformation);高周期疲勞的作用應力較小,結構變形通常維持在彈性(elastic)范圍內,所以不致有變形。 材料疲勞破壞的進程分為三階段︰裂紋初始(crack initiation)、裂紋成長(crack growth)、強制破壞(rupture)。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處,材料晶格(lattice)在外力作用下沿結晶面(crystallography plane)相互滑移(slip),形成不可逆的差排(dislocation)移動,在張力及壓力交替作用下,于材料表面形成外凸(extrusion)及內凹(intrusion),造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應力周期的拉伸應力連續(xù)拉扯下逐漸成長,并使材料承載面積縮減,降低材料的承載能力。當裂紋成長到臨界長度(critical length)時,材料凈承載面積下的應力已超過材料的極限強度,此時的材料強制破壞也就無法避免了。 飛機結構的疲勞破壞常發(fā)生于幾何形狀不連續(xù)處,因此在維護延長服役年限的老飛機時,對一些幾何面積變化較大的位置,如︰R角、鉚釘孔邊……,都得特別留意。比較麻煩的是有些結構件在原本的設計負載下,預期使用期間不會有疲勞破壞的顧慮,因此未留下檢查進手空間,或是結構需大部拆解后才有辦法檢查,這些位置在延長服役期間如果未能檢查,就會有相當?shù)臐撛陲w行風險。 3 腐蝕 腐蝕是個存在已久的老問題,亞熱帶高溫潮濕的環(huán)境更有利于腐蝕的發(fā)生。本質上,腐蝕是個無法避免的過程,只能以適當?shù)奶幹脕硌泳徠浒l(fā)生或降低帶來的損害,明白了常見的腐蝕及其或處置方式,對飛行或節(jié)省維修經費,都會有莫大的幫助。 廣義來說,腐蝕是指材料受到環(huán)境介值預期外的侵襲所造成的材料性質退化。不論是金屬、聚合物(polymer)、或陶瓷(ceramic)……皆難逃腐蝕。這是因為在自然界里,材料以礦石中硫化物(sulfide)或氧化物(oxide)型態(tài)存在的情況穩(wěn)定,一旦經由各種精煉過程成為純物質或合成物質的型態(tài),就成為不穩(wěn)定狀態(tài),而腐蝕就是材料恢復穩(wěn)定的一種方式。例如:自然界的鐵是以氧化鐵的形式存在于礦石中,經過提煉之后成為純鐵或合金鋼,但在歲月的侵襲下,終究會恢復到生銹的氧化鐵。 一般人都有個錯誤的觀念,認為腐蝕與空氣濕度有直接的關系,因此潮濕的東南亞地區(qū)較容易發(fā)生腐蝕,而干燥的北美或歐洲大陸,則較不會有腐蝕的困擾。事實上,腐蝕的發(fā)生與空氣濕度(Absolute Humidity)關系甚微,與空氣相對濕度(Relative Humidity)則密不可分。此處的空氣濕度就是一般人所認知的空氣濕度,它是指在某一溫度下,空氣中所含的水蒸氣含量;而空氣相對濕度則是指在某一溫度下,空氣中的水蒸氣含量與該溫度下空氣所能容納的水蒸氣含量之比值。當空氣相對濕度到達某一臨界值(Threshold)時,水蒸氣會在金屬表面形成水膜,促使電化學(electrochemical)反應發(fā)生,進而加快腐蝕速率,因此東南亞地區(qū)的年平均空氣濕度固然高于北美或歐洲大陸地區(qū),但兩地區(qū)的年平均空氣相對濕度則未必一定如此,事實上,全球大部分地區(qū)的年平均空氣相對濕度大約都在70%到80%之間,換言之,不論是東南亞地區(qū)或是大陸型氣候的美國,都會遭遇到相同程度的腐蝕問題。
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