伊莱克特拉的厄运(四)

holycow

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3 c" s! K) {; H710航班的机身，机尾和左翼以及2号发动机坠地的时候还连在一起，这么大的一块残骸几乎垂直地高速坠入一片大豆田里，砸出一个四米深，直径十米的大坑，飞溅的残片布满了大坑周围500米的区域。一股暗火在大坑的底部闷烧了好几天，直到残骸挖掘工作进展到坑底时才被发现扑灭。

直升机空中勘察的结果是右翼残骸在大坑的东北方3.5公里处，1号和4号发动机及其螺旋桨，变速箱散布在右翼周围600米范围内的四个地点，机翼和发动机的小部件沿着飞机的航线一路散布了11公里。对残骸的检验发现整个右翼，左翼的外翼段，以及1号和4号发动机在很短的时间内相继解体，第一个解体的是右翼和4号发动机。残骸没有任何金属疲劳的痕迹，右翼解体的部位靠近翼根和机身结合部。这和布兰尼夫542航班的解体顺序，甚至部位都是一样的，只是那架飞机解体的是左翼。和布兰尼夫的伊莱克特拉一样，这架L-188也几乎是新的，出事时只飞了不到六个月，总飞行时间不超过1800小时。
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; h+ ^6 N* z$ F+ z0 h! e2 {0 @进一步的检查表明，在机翼断裂处的翼肋部件均粉碎性断裂，碎片布满了11公里残骸区开始的那一部分。断裂的原因是受到张力和压力的交互作用，也就是说机翼断裂前一直在上下震颤。4号发动机短舱内最先断裂的是螺旋桨的支撑结构，这一结构断裂后，螺旋桨轴线向右下方位移，导致螺旋桨旋转的平面相应位移，其产生的巨大扭力最终将4号发动机从右翼撕裂解体。

投入运行才一年多一点，就摔了三架飞机，死了百把号人；特别是在短短六个月内，两架几乎全新的伊莱克特拉，在两名资深机长的操纵下，以几乎相同的方式莫名其妙地空中解体。伊莱克特拉成了美国版的彗星号事件，报界和国会都有人呼吁停飞这个机型。为了查清这个谜团，710航班的所有残骸都被运到了洛克希德在加州的伯班克工厂，民航局进一步指示洛克希德对L-188的工程设计进行一次全面检查。为了这次工程检查，调集了NASA的研究人员，连波音和道格拉斯也提供了最好的结构工程师和风洞设施。
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在调查进行的同时，FAA为保险起见，发出紧急适航指令，将伊莱克特拉的巡航速度从324节降低到275节；一星期后再发一个适航指令，进一步将巡航速度降到225节，任何时候下都不得超过245节 -- 好端端的涡轮螺旋桨客机这下子比活塞式的飞得还慢。

与此同时，工程检查也在紧锣密鼓地进行，各方高手把设计图纸翻了个底朝天后，查出来三条：

- i9 P( Z' z5 V9 n5 `8 D  Q原始设计中忘了计算由于机翼蒙皮扭曲施加在翼肋上上的应力
0 l7 D' N/ k# O# O) ]# S原始设计中对于外侧发动机短舱在乱流情况下的应力计算有错误，计算所得的施加在机翼内侧部分的扭力小于实际数值
3 Z' H2 @* q4 r* [) J如果螺旋桨支撑结构被削弱，螺旋桨偏离正常旋转平面的运动将无法控制，其产生的应力通过发动机短舱传导到机翼内侧，最终将致使两者断裂

螺旋桨和陀螺是一个原理，当没有外力作用时，螺旋桨在垂直于轴线的平面内转动；一旦施以外力，螺旋桨将偏离原先的转动平面，就像一个陀螺偏离原先的转动轴左右摇晃，这叫做"Whirl Mode(求翻译)"。如果螺旋桨支撑结构有足够的刚度，这种偏离原平面的运动会在支撑结构的阻尼作用下减小，最终使螺旋桨回到原运动平面内；但是如果支撑结构刚度不够，这种偏离会越来越大，随着偏离的增大，螺旋桨作用在支撑结构上的应力也越大，进一步削弱支撑结构，于是一个恶性循环开始了。当支撑结构断裂后，应力转移到发动机短舱本身，然后由于伊莱克特拉的设计又转移到内侧机翼上部蒙皮和翼肋，最终导致上述部件断裂。
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这个现象在活塞式时代就广为飞机设计师所知，但这在当时不是一个大问题，因为活塞式发动机的螺旋桨都是直接装在发动机的转轴上，整个发动机都是支撑结构，刚度足够了；而涡轮螺桨的安装位置远离发动机，要有专门的螺旋桨支撑结构，于是这个老问题冷不防又冒了出来。

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进一步的计算发现，随着"Whirl Mode"的发展，伊莱克特拉发动机短舱的震动频率会变化，从正常情况下的5赫兹降到3赫兹，而机翼的自然震动频率是3.5赫兹，于是发动机短舱和机翼共振导致机翼震颤，产生了所谓的"Whirl Mode Flutter"。从螺旋桨受到外力到共振产生，只需要20-40秒。

$ R5 r2 n$ h+ k7 ^3 c5 \于是710航班的事故终于有了解释：
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+ Z6 g6 A" F, @; {. N飞机在芝加哥降落时应该是重着陆，削弱了4号发动机的螺旋桨支撑结构。据当天飞过出事空域的飞机报告，虽然天气预报没有提到，事发空域存在中等到强劲的晴空乱流。当710航班遭遇这一晴空乱流后，螺旋桨偏离了正常旋转平面，而已被削弱的支撑结构无法发挥阻尼的作用，使这种偏离越来越大。短短几十秒内，支撑结构断裂，发动机短舱和机翼共振，发动机短舱在扭力作用下与机翼脱离，机翼在震颤效应下断裂，整架飞机空中解体。
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* L3 L1 t9 Y; j反过来再推布兰尼夫542航班，这架飞机在一次失速改出的训练飞行中由于受训机组改出不当，造成了第二次失速，最后再改出时机动大了一点。当时的教官和受训机长认为无大碍，没有要求结构检查，现在看来螺旋桨支撑结构很可能就是那时被削弱了。事发时所有目击者首先都听到了螺旋桨的啸叫声，也就是说在飞行过程中有一个螺旋桨失控，桨尖超音速了。发生这种情况的标准处置程序是先减速，于是机组一边收油门，一边拉起机头企图尽快把速度降下来，拉起机头这一机动足够使螺旋桨偏离原转动平面，于是餐具了。
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8 b" q7 `# A$ f4 G8 I! w原因找出来后，洛克希德大大加强了螺旋桨支撑结构，机翼蒙皮和翼肋的强度，伊莱克特拉增重600公斤，修改已交付的飞机花去洛克希德2500万美元。这一更改以后，伊莱克特拉再也没有发生过类似事故，FAA也随后取消了速度限制。
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) C# ^' o: d! l) I/ f然而，伊莱克特拉的祥瑞生涯仍然在继续...

一无所之

这个设计师真是该死了，你这一系列看到现在。真正设计上出了问题的好像就是这一个型号吧？
- j3 v2 I) Z0 S! T8 [这一串的设计人员都是怎么审下来的图纸？唉。。。。

holycow

一无所之 发表于 2013-5-5 16:17
这个设计师真是该死了，你这一系列看到现在。真正设计上出了问题的好像就是这一个型号吧？
5 G% O) D& q$ Q& r  F! z- g: e这一串的设计人 ...

还有个波音767的反推

一无所之

holycow 发表于 2013-5-6 08:50
还有个波音767的反推

潜意识里，我还真没把反推那个事故当成是设计的问题。
) S! }: G4 G6 M& H8 h, c5 F其实想了想，我刚才的话应该修正一下。应该是这次故障在设计上是完全可以通过严格的设计审核，可以避免的。因为毕竟这是属于机械设计中必不可少的环节。我印象里面，做结构设计时动态和静态的校核计算是要分开来的。而看你现在提供的信息来看，我总觉得这个倒霉的伊莱克特好像只是做了静态校核，而动态校核似乎就是应付事儿。

一无所之

Whirl Mode   貌似应该叫做 旋摆

xlan1976

一无所之 发表于 2013-5-6 09:02
2 l9 H8 d6 `* n4 {3 O潜意识里，我还真没把反推那个事故当成是设计的问题。
8 M  I+ q' V2 B1 S" y" y) |% q其实想了想，我刚才的话应该修正一下。应该是这次 ...

9 f* s5 Q  y# M应该不是应付事儿的问题，而是那个年代结构力学的发展还没有那么完善，很多东西当时还不知道或者知道了但对它的影响不是十分清楚。。
" z# M  b$ {% s* Z+ O- M, v0 T2 g. ]那个时候人们比较有把握i的就是静强度计算，对于动态的情况所知不多，通常就是加大静强度计算的安全系数，和通过实验来发现问题。如果这两种方法都发现不了、解决不了问题，就只有通过事故来做事后总结了。。
5 F$ n8 _$ v: t( N- O$ K所以飞机制造厂家的经验积累很重要，因为i结构设计归根到底是一门实验科学，直到今天还有很多我们没有搞清楚的地方，这种事情也许波音已经通过某些经验总结避免了，而洛克希德还不知道。。所以这些东西到现在也都是各个厂家核心机密的玩意儿。。

xlan1976

# o, R. \1 C, d- P! Y% O. L
陀螺转轴的这种周期性上下摇晃MS叫章动nutation，而转轴端点的移动轨迹是一条摆线cycloid，Whirl Mode应该是对这种运动形式的一种比较通俗的或者一中比较工程的说法吧。
神牛这段话实际就是说这种情况下，螺旋桨转轴失稳了。

xlan1976

  D  S2 g; ?6 _在涡桨发动机螺旋桨和发动机之间的应该是减速齿轮机构和变矩机构吧，对于螺旋桨驱动来说，要保证好的推进效率，桨叶转速不能太高，特别是桨叶直径越大越是如此，因为桨叶与气流之间的迎角是由桨叶角、来流速度和桨叶上该处的旋转线速度决定的，旋转速度太高会导致离叶根远的部分迎角过大从而产生严重的气流分离降低推进效率甚至导致失速，而涡轮发动机要保证正常工作转速又不能太低，所以需要有这么一个减速齿轮机构在中间作过渡。

xlan1976

还有两架。。

北京阿新

xlan1976 发表于 2013-5-6 12:10
在涡桨发动机螺旋桨和发动机之间的应该是减速齿轮机构和变矩机构吧，对于螺旋桨驱动来说，要保证好的推进效 ...

8 M8 o# W8 s7 U" P貌似PW最新的齿轮风扇也是这么回事：用减速器降低风扇转速，提高风扇的效率~

xlan1976

北京阿新 发表于 2013-5-6 23:09
( O6 C  g( Q- ^* Y' v3 O貌似PW最新的齿轮风扇也是这么回事：用减速器降低风扇转速，提高风扇的效率~ ...

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! A+ |/ z4 p  q( I! a3 G对
. L$ H7 T0 _! N其实涡轮发动机的压气机部分也存在类似的问题，当然情况要复杂很多，大致来说就是前面几级跟上面我说的类似，转速不能太高，而随着增压比的升高，到了后面气流的速度提高了，如果转速太低，气流与叶片相对迎角反而会向负方向增大，造成气流在叶腹处分离，因此对于后面几级转速又不能太低。总之就是转速相对气流速度要维持在一个合适的范围，这就是多转子的由来，传统的双或三转子发动机各转子之间是没有联系的，转速是自适应的，而PW的齿轮传动发动机就是让风扇和低压压气机之间的速度配比更加合适，因为在亚音速下，推力主要是在风扇处产生的，把风扇的效率提高了，整个发动机的推进效率就高了。