互动科普

脑筋动到尾翼上

航空机械师与安检人员力图弄清飞机上所用的复合材科是否足够坚固。

Phil Scott

2001年l1月l2日，587次航班在纽约市失事坠毁。这次事故是由于空中客车A300的尾翼或称垂直平衡器从机身上脱落所致。这引起人们对于飞机越来越多地采用复合材料替代金属材料的关注。复合材料是由填满树脂的数层碳纤维板组成，与传统的铝材相比，重量更轻，强度更强。美国国家运输安全委员会(NTSB)对事故的初步报告指出：在接近垂直平衡器与机身的连接点处，空中客车的复合材料层发生了分离或分层。当飞机处于前一架飞机的尾流涡流中，机长试图操纵尾翼的方向舵时，造成整个垂直平衡器与机身相分离，导致那架A300回旋直下，机毁人亡。

航空专家认为这起尾翼脱离事件非常奇特。复合材料与金属材料不同，它不会因使用过久而“疲劳”。假如没有制造上的缺陷，只要未受到超过其设计极限的外力，它们将会历经数年仍旧完好如初。空中客车尾翼的设计，其所能承受的外力比通常受到的外力要大50％，虽然今年2月份国家运输安全委员会的结论认为，方向舵的突然前后摆动可能会损坏尾翼。目前，事故调查人员计划使用“非破坏检测”技术对该尾翼进行“验尸”，希望能确定该断裂是源于原有的、未察觉的损坏，还是由于复合材料本身具有某些先天的缺陷。

当检测金属部件的完整性时，检查人员使用一种叫做“自动回零探针”的装置。探针能够在金属材料中形成一个磁场，材料结构上的缺陷可以在磁场中形成一个可以检测到的磁场断层。(这种彻底的检查每隔几年或者在飞机出现某种问题时才进行一次。)然而这种装置无法用来检测复合材料，因为复合材料不是金属，不能产生磁场。

一种可用于复合材料的非破坏检测法，对于那些准爸爸妈妈来说应当很熟悉，这就是超声波。美国航空航天局(NASA)兰利研究中心的结构与材料部主任Mark Shuart解释说：“我们可以根据声音穿过材料时的速度，探测材料是否存在裂缝。”超声波传感器通常依靠小型转换器，可装于一个手提装置中。Shuart补充说，根据脉冲的声音，“我们可以探察到材料内物质的变化情况，从而找出分层、纤维开裂以及各种不同的机械故障。”

NASA还开发出一种热感自动照相机，它能够发出高强度的光脉冲到材料表面，材料结构上的孔隙犹如绝缘体，其温度低于周围材料。而这种照相机能够探测到小至0．02℃的温度变化。它也可用于检测金属结构，例如探测航天飞机主发动机的裂缝。NASA的工程师通过迅速向飞机喷嘴加压至每平方厘米2．8千克，使空气能穿过任何裂缝，从而产生细微的温度变化，然后用照相机拍照。兰利研究中心的非破坏检测小组组长Samuel S．Russell说：“每个喷嘴价值500多万美元。因此，如果能节省喷嘴，不用更换，这是最好不过的。”

对于复合材料构件，工程师们还可应用发出声波的传感器进行非破坏检测。每台传感器包含一个压电晶体，晶体能传输介于75-200千赫的高频声音。研究人员在使构件承受负载的同时，在有声音发出的地方进行三角测量。发声的部位说明存在结构上的缺陷。

这种非破坏分析法应该成为飞机所用复合材料检测的一个必要的例行程序。复合材料零部件的维护，通常是每5年用肉眼检查一次，然而这种目测法不能检测出任何微小的或者是隐藏较深的缺陷。Russell在谈到A300客机的厄运时说：“我真希望在它出事前就发现了问题所在，那也正是我们所要寻求的。”

复合材料的应用

复合材料表面可以修补。但修补面的刚度必须与其他部位表面的刚度相当。如果修复面刚度过大。则可能对其他部位产生应力负载。

复合材料在重量上所占的比例：

空中客车A300：4-5％

波音777：10％

空中客车A310：10-15％

美国空军F一22战斗机：超过40％

【朱小明／译 李爱珺／校】