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摘要：对于业界广泛探讨的航空器老龄化现象，本文提出了不同的理解概念。结合中国民用航空飞行学院的运行经验，详细指出了通用航空器在老龄化过程中易发生的缺陷及隐患，对通航维护具有一定参考價值。最后，阐述了老龄化通用航空器在维护方面的关注要点，进而提升航空器的运行安全性。
关键词：老龄化通用航空器;维护;隐患
随着社会和经济的快速发展，航空运输因其能够提供最快的交通速度，节约时间成本，成为越来越多人的出行选择和货运选择。在通航领域，航空器已广泛应用于培训、救援、旅游、电力巡线、护林等各类作业。航空器经过多年的使用逐渐老龄化，如何在高强度使用的背景下保障航空器的安全运行，是值得研究的课题。本文以中飞院上百架飞机近30万的年飞行小时为研究基础进行探讨，提出针对性的建议，对整个通航业中老龄航空器的维护具有一定的指导意义。
1 “老龄化”的概念
在多数有关 “老龄飞机”的文献中，将运行时间14年作为划分航空器是否进入“老龄”的节点。本文认为这种划分方式过于武断，并不适合所有航空器的运行状况。“老龄飞机”在FAA（还有EASA和CAAC）正式颁布的法规和咨询通告中并没有明确定义，而仅是FAA经过事故调查、经验积累和多年研究提出的一种说法。而民航界通常划分“老龄飞机”的14年时限，极有可能是源于FAR121部AA分部持续适航和安全改进的121.1105条款中的规定“服役年限达到或超过14年的飞机应当对结构修理、改装记录进行检查和评估”[1]。中国民航局飞标司潘超提出：“老龄飞机”并不是使用时间达到一定年龄的飞机，而是指设计规范存在一定缺陷的飞机。该观点从不同侧面丰富了“老龄化”的概念。
本文认为，“老龄化”对航空器来说是一个渐变的过程，而无明确的时间或物理界限。在航空器整个寿命周期内，随着日历年限的积累、起落循环的增加、设计缺陷的显现，维护人员保持航空器固有可靠性的难度和经济成本不断增加的过程即是老龄化过程。
2 老龄化通用航空器的隐患
随着民航业的发展，航空器的老龄化现象不可避免。多数文献的研究对象都为运输航空器，而对通用航空器的关注度较低。随着国家低空开放政策的实施带来的通航发展，未来我国通用航空器老龄化现象必然日趋严重。相较于运输航空器，通用航空器有其自身的特点，系统余度和可靠性较低、生产制造和维护运行成本更低。当然，相对应的是通用航空器的运行环境更加复杂，运输航空器通常运行在已知的净空条件良好的航线上，通用航空器更可能运行在地形复杂或生疏的空域，完成复杂的作业任务[2]。
因此，通用航空器老龄化过程与运输航空器有着相似之处，但也有自身的特点。下文结合中飞院的运行经验，介绍老龄化过程中航空器可能面临的典型隐患。
2.1 广布疲劳损伤
许多工程结构和老龄化的航空器都存在一种典型的损伤形式——广布疲劳损伤。这一术语来源于阿罗哈事故的分析报告[3]。随着循环应力的作用，在航空器的蒙皮结构中铆钉孔边会出现多条疲劳裂纹，呈现多处损伤（MSD）的物理特征。这种损伤形式可使结构剩余强度明显降低，并在短时间内导致裂纹的突然连通，破坏航空器的物理完整性[4]。中飞院运行的主流初教机赛斯纳172R于2006年引进，普遍运行时间在10000小时以上，其工作舵面上极易出现该种损伤，如图1所示。
2.2 高振动区域裂纹
通用航空领域广泛使用直升机完成作业任务。直升机结构相对于固定翼飞机更加复杂，旋转部件更多，因此带来的振动问题将使更多的部件承受交变载荷。由此使直升机在老龄化过程中有更多机会产生故障[2]。中飞院在直升机培训领域使用的主力机型，如贝尔206BⅢ以及S269C-1均已服役超过20年，均有在高振动区域产生裂纹的记录。贝尔206BⅢ型直升机的尾梁曾出现长约10cm的裂纹，调查和分析结论显示，尾梁振动值超标导致尾梁铆钉结合部位出现交变应力导致裂纹的产生。如图2所示。同样，S269C-1型直升机的下部皮带轮斜撑杆在技术状态检查中发现断裂，如图3所示。
两个案例存在相似特征：1）失效部位接近高速旋转部件。在航空器运行过程中，机构一直在吸收旋转部件的振动能量。2）失效部位均为材料连接处。贝尔206BⅢ型直升机的裂纹源于铆钉结合处，铆钉孔带来的几何尺寸变化使材料的连续性受到破坏，从而导致应力集中使该处更易产生损伤。S269C-1型直升机的裂纹产生于焊缝周围，焊接工艺工程中，结合处材料经受了一次高温后的自然冷却，相当于热处理工艺的一次退火过程。材料内部结构变化会使该处的强度有一定的下降，成为损伤的易发点。
2.3 磨损导致的材料缺失
机件在使用过程中不可避免地发生磨损，且加速磨损的因素很多，如振动、润滑不良、工作面被异物污染等，在通用航空器的运行过程中十分普遍。磨损导致材料缺失，机件几何尺寸变化，并视其部位不同带来一系列问题，例如，操纵系统磨损会带来机构间隙，加剧振动，降低飞行舒适性;蒙皮盖板材料缺失会导致气动外形细微改变，同时材料强度也会降低。这类缺陷在中飞院的多型航空器中均有明显表现，如图4、图5所示。
2.4 腐蚀
航空器在整个寿命周期内，无论处于地面停放状态或运行状态，一定会受当地的自然环境影响。由于通用航空器自身的特点，其飞行高度低，运行环境复杂，所受影响必然更加显著。而自然环境所导致的腐蚀作用会使蒙皮以及结构的性能变差，造成损伤，从而降低材料的疲劳寿命[5]。在对退役飞机检测时，在蒙皮搭接机构中经常发现蚀坑，该种腐蚀具有极强的隐蔽性，目视检查无法发现。根据运行经验，大多数腐蚀情况都发生在具有水汽或污染物累积的客观条件下。例如，赛斯纳172R飞机的起落架腐蚀就明显出现在粘贴了特氟龙胶带的部位，由于胶带与金属材料之间的微小间隙导致水分累积，在航空器运行超过10年后出现点蚀，如图6所示。
类似的情况也出现在贝尔206BⅢ型直升机的主减A型支架固定螺栓处，由于填充的隔音棉具有较强的吸水能力，在排水通道出现堵塞后，其吸附的水分导致封闭空间内形成高腐蚀环境，从而造成结构的严重腐蚀，如图7所示。
2.5 电气部件老化
航空器的机龄超过10年以后，深埋在结构中的电线就开始产生裂纹和磨损。这种缺陷最初被航空界忽视。环球航空公司800次航班的坠毁事故调查结果显示，电线短路所引起的火花造成了中心机翼油箱爆炸[6]。可见关键部位的导线缺陷可能导致极其严重的后果。有文献记载，机龄超过20年的L-1011飞机每1000米电线有13个裂纹，DC9飞机每1000米电线有1.6个裂纹。通用航空器的运行环境更加恶劣，导线的老化速度及程度均超过运输航空器，这在中飞院的贝尔206BⅢ型直升机上体现的尤为明显。该型直升机机龄超过30年，虽然飞行时间不足1万小时，但机身铺设的Kapton导线已出现严重老化，如图8所示。
此外，独立的仪表设备在长时间使用后，由于元器件老化，即使经过修理或翻修，其故障率也有明显上升趋势。可见电器部件的缺陷及故障在航空器的老龄化过程中占有较大比重。
3 老龄化通用航空器维护要点
如前所述，航空器在老龄化过程中会表现出诸多典型缺陷。在面临这些问题时，航空界的关注点是如何延缓航空器的老龄化过程，以及在老龄化过程中如何及时发现缺陷并作出处理。多方面的努力都在于保障老龄飞机的安全运行。1998年，FAA宣布成立了运输系统老龄化规章咨询委员会（ATSRAC），其成立后完成了多阶段的工作，包括标准化线路施工手册的格式，研究小型飞机电气线路的老龄化问题，协助减缓飞机线路老龄化的新技术的发展[7]。航空器制造厂家也在积极与运营单位沟通，完善手册维护内容，及时颁布通告，改进老龄化过程中所出现的缺陷。中飞院在对待老龄化和航空器的维护方式上也总结了许多经验。
3.1 完善维修方案
维修方案作为所有例行工作的直接依据，其涵盖的维修广度和深度直接决定了航空器保持其固有可靠性的能力。随着航空器的运行环境及自身状态的改变，维修方案的内容应做出相应的修订。中飞院所运行的主力初教机赛斯纳172R在进入10000小时后，维修方案中加入了超越手册的检查内容。自增的检查内容集中在日常定检所不涵盖的结构件或操纵部件上，如起落架安装座、机身内部蒙皮、驾驶杆组件U型架、方向舵脚蹬扭力管等。而日历时限达30年的贝尔206BⅢ型直升机在维修方案中增加了腐蚀控制相关内容，对重点区域明确了检查标准及修复方法。从维修立法层面做出的修订，能为老龄化航空器的维护方式带来质的改变。
3.2 强化维护细节
延缓航空器老龄化过程不会对维护人员的能力提出极高要求。因此，“维护作风胜于个人能力”得到了极好的体现。在飞行后，及时清洁航空器，确保机身及关键部位无尘埃及其他腐蚀物累积，能明显控制腐蚀的加剧过程。振动区域蒙皮磨损不可避免，在磨损初期如果及时进行补漆工作，则可避免金属材料在振动磨损中出现缺失。对航空器所有排水孔进行细致检查，确保其畅通，能有效避免滑油、液压油及水分对机体可能带来的严重腐蚀。一线维护人员对航空器的维护要点的总结反馈，能形成对维修方案的有效循环优化。
3.3 优化维护手段
航空制造技术在不断发展，对应的维护及修理技术也在进步。新理念、新设备的引入能在保障维护质量的前提下，节省人力及时间成本，同时提供更为准确的缺陷分析、故障定位。从而消除老龄化航空器可能存在的诸多隐患。以航空器导线的检查和排故为例，通航领域仍沿用几十年来的目视检查法。不可否认，这种方法在许多工作中有其重要性和有效性，但局限性也是显而易见的。多年以前的文献中就已介绍了导线检查的时域反射测量法（TDR）、驻波反射测量法（SWR）、频域发射测量法（FDR），并且有相关设备研发的记载[6]。受限于信息不畅、维修成本或管理理念的原因，新技术在通航领域的推广明显迟滞于运输航空，这确实是通航领域需要改进与完善之处。
4 结束语
本文首先讨论了航空器老龄化的概念。结合中飞院的维护经验，说明了在“老龄化”过程中，通用航空器可能出现的典型缺陷及面临的问题。对于如何减缓航空器的老龄化，以及更好地维护老龄化的航空器提出了解决措施。最后，对通航领域发展的可改进之处提出了一些建议。
参考文献
[1] 潘超，吕新明，刘渊. “老龄飞机”的持续适航和安全改进[J].航空维修与工程，2015（9）：30-31.
[2] 吕伯平，张文军. 老龄化直升机的维护[J].直升机技术，2006（2）：55-57.
[3] 李嘉骞，沈海军. 老龄飞机广布疲劳问题研究综述[J].飞机设计，2014（2）：28-32.
[4] 盧翔，卢鹏飞，王宁，蔺越国，杨杭. 飞机蒙皮广布疲劳裂纹损伤扩展特性分析[J].机械工程与自动化，2016（12）：36-39.
[5] 田云飞，曹宗杰. 红外检测在老龄飞机蒙皮搭接结构腐蚀检测中的应用研究[J].飞机设计，2013（6）：31-35.
[6] 韩世杰. 飞机电线老化问题及其对策[J].航空工程与维修，2002（1）：23-25.
[7] 顾海荣. EWIS介绍以及维护管理要求[J].航空维修与工程，2012（2）：47-50.
[8] 李洁舟. 飞机线路故障问题及其对策[J].硅谷，2013（17）：91，96.
[9] 曲帆，邢晨光，郭鑫. 国外老龄化飞机结构健康监控方法[J].航空科学技术，2014（25）：1—5.