10个案例精选！复合材料飞机事故回顾(25个案例)|科技 |分析 |协和式 |事故 |客机 |方向舵

理解复合材料飞机失效机理的重要性，既体现在当前大量在役复合材料飞机的现实状况上，也体现在历史上若干因复合材料失效而导致的飞机事故实例中——对这些事故的调查对于厘清事件经过至关重要。

1.ASTM-21案例研究

第一个案例描述了用于分析一架小型飞机机翼翼梁早期失效的检测程序与调查技术。失效翼梁经受了一系列无损与破坏性检测，包括目视检查、扫描电子显微镜🔬（SEM）检测、热-机械分析、差示扫描量热法（DSC）及疲劳试验。

据Stumpff所述，检测发现翼梁下缘帽条存在径向裂纹（常见于拉伸失效），而上缘帽条则出现切痕与碎屑（常见于压缩失效）。此外，在层间断裂面上还观察到指示疲劳的条纹。同时，还发现了制造异常，具体表现为纤维波纹、孔隙含量偏高以及纤维体积分数偏低。因此，通过对失效构件开展的检测所获得的证据表明，翼梁因弯曲疲劳而断裂，其诱因可能是意外承受过高疲劳载荷，或是在预期疲劳载荷作用下，因制造缺陷导致翼梁疲劳强度降低。

Stumpff提供的第二个案例描述了一架飞机方向舵蒙皮与芯材之间的分离。与第一个案例类似，失效构件接受了包括目视检查、脉冲回波超声检测、扫描电子显微镜🔬（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）以及化学分析用电子能谱（ESCA）在内的一系列检测。

通过综合运用多种检测技术所获取的证据表明，方向舵失效源于蒙皮与芯材之间粘接不充分，可能系粘接界面渗入水分所致。残留在胶粘剂上的环氧树脂基体表面呈现的“河流状”纹路，有助于判定蒙皮剥离方向及失效起源点。

2.通用航空事故

随着通用航空（GA）及业余自制飞机行业日益广泛地采用复合材料，对小型飞机事故中失效复合材料及结构的分析亦至关重要且不可或缺。

在所选取的三起事故中，复合材料结构均受损。事故GAA15CA155涉及一架钻石DA20型飞机，事故原因为飞行员未能阻止跑道偏出，导致玻璃纤维机身严重损坏。

事故ERA14LA164涉及一架实验类业余自制Kitfox II型飞机。在飞行训练过程中，该机失去升力并失控下坠；撞击时，由玻璃纤维制成的螺旋桨叶片断裂。

最后，事故ANC16LA068涉及一架实验类业余自制Jeffery D Tuddle BDK Carbon Concepts型飞机。飞行员失去对飞机的控制，致使左机翼前缘缝翼屈曲变形。每侧机翼的前缘缝翼均由碳纤维制造，并在事故后进行了分析。左机翼前缘缝翼呈现树脂贫乏特征，而右机翼前缘缝翼则表现出铺层搭桥、后缘粘接失效、接头处缺乏胶粘剂以及前缘压缩失效等特征。此外，在左机翼内侧与中部连接支架上，分别于接头和连接部位发现了胶粘剂失效与脱粘现象。该连接支架进一步接受了显微分析，结果显示存在表面处理不当、胶层厚度不均以及粘附力不足等问题。

3.美国航空587号航班

复合材料构件失效最广为人知的案例，或许是美国航空587号航班的致命事故。这也是商用飞机中首次发生复合材料结构构件失效事件。

2001年11月12日，执飞美国航空587号航班的空中客车A300-600型客机从纽约约翰·F·肯尼迪国际机场起飞。起飞后不久，飞机失控并坠毁，其复合材料垂直安定面及方向舵自机身脱离。

对失效的垂直安定面与方向舵实施了断口学检验程序。具体而言，采用包括目视检查、扫描电子显微镜🔬（SEM）、超声波检测以及X 射线计算机断层扫描与成像在内的多种技术，对六个垂直安定面连接耳片进行了分析。

右侧与左侧耳片均呈现出拉伸载荷所致过载断裂的典型特征；此外，在耳片周围还发现了分层区域。借助扫描电子显微镜🔬（SEM）对断裂纤维进行了更细致分析：在穿层断裂面上，观察到了拉伸失效中常见的放射状图案以及压缩失效中典型的切痕；同时，放射状图案被用于判定断裂扩展方向。扫描电子显微镜🔬（SEM）亦被用于分析分层区域，在这些区域识别出用于判断裂纹扩展方向与剪切应力的锯齿状纹理与河流状纹理。上述观测结果有助于构建失效耳片的断裂模式。

4.协和式客机

在运行过程中，协和式客机曾多次遭遇复合材料方向舵故障。自1989年至2003年的14年间，共发生六起协和式客机复合材料方向舵空中脱落事件。

1989年4月，在一次环球巡演飞行中，协和式客机蜂窝胶接式方向舵上部区域于空中脱落。飞机仍可操控，并顺利抵达目的地，未引发任何重大问题。

事故调查认定，方向舵脱落系先前蜂窝芯材与蒙皮之间发生分层所致；此外，胶接强度亦已退化，蜂窝结构与蒙皮界面亦遭腐蚀，二者均由湿气侵入结构所致。

英国航空协和式客机于1991年1月在由伦敦飞往纽约的航班中，其方向舵下部顶端袋状结构于空中脱落。该失效方向舵与1989年G-BOAF所发生的上部方向舵失效件序列号相同，表明这两套方向舵系成对制造。

事后对方向舵的检查未发现胶接缺陷或明显腐蚀现象，但观察到方向舵蒙皮与胶层之间出现分离，推测系水分渗入后结冰所致。所用油漆剥离剂被发现损害了方向舵制造所用胶粘剂，从而可能导致胶层开裂与软化，使水分及剥离剂得以侵入。虽已开展破坏性试验以分析胶接强度，但因脱落材料未能回收，故无法就原始缺陷得出明确结论。

1992年3月，英国航空协和式客机在执行伦敦至纽约的定期客运航班途中，其蜂窝状方向舵上部区域发生脱落。

事故调查阶段开展了多项检查与测试：对失效方向舵残余部分进行了目视检查，并对其中完好区段实施了拉伸试验；同时，回顾了复合材料方向舵无损检测与维修所用技术，分别分析其识别协和式客机复合方向舵缺陷的有效性，以及所用材料对胶接性能的影响；最后，还开展了飞行试验，以验证原始制造商汇总的方向舵疲劳应力数据。

方向舵脱落原因被确定为蜂窝芯材与蒙皮之间的分层，与G-BOAF此前经历的事件类似。但由于事发后脱落的方向舵未能完全回收，故无法确定分层与脱粘的确切成因。

不过，根据分析结果，调查揭示出若干可能导致分层的潜在因素：前一年，G-BOAB的方向舵曾接受过大规模维修作业，但该维修在设计或实施上可能存在不足，且维修所用材料可能削弱了原有结构；另一可能因素则是在方向舵最近一次车间检修时，未能识别出已存在的缺陷，致使缺陷未获修复。

1998年10月，在一次由伦敦飞往纽约的定期客运航班中，英国航空注册号为G-BOAC的协和式客机下部方向舵楔形段发生失效并空中脱落。

调查过程中重点分析了三个主要方面：首先，对受损金属结构进行了冶金检验；其次，审阅了与方向舵楔形段同步制造的破坏性测试试样结果，以理解胶接失效；最后，评估了方向舵检测所用的无损检测技术。

通过无损检测技术对下部方向舵段未受损的上楔形段进行检查，发现存在大面积脱粘现象。该上楔形段的脱粘被认为系在胶接固化后安装铆钉所致，从而导致胶层开裂、胶膜强度下降。由于脱落的方向舵段未能回收并供分析使用，故无法实施全面调查。依据现有证据，下部方向舵失效最可能的原因在于当时所采用的无损检测技术未能识别出可能导致方向舵失效的脱粘缺陷。

5.结论

复合材料仍是飞机部件与结构制造的主流选择。然而，随着其应用日益广泛与普及，必须深入考察这类材料在飞机事故中的行为表现，尤其关注其受损后的特性、相关失效模式，以及断裂材料的分析方法。

为厘清当前复合材料失效模式与断裂分析领域的研究现状，本文通过对若干历史空难与事件的回顾，凸显了理解此类断口学特征与失效模式的重要性——在这些事件中，基于复合材料的部件发生失效，其分析工作对于事故与事件调查具有决定性意义。

本次综述揭示出若干贯穿所涉文献的核心主题：第一，尽管复合材料失效分析所采用的技术与金属断裂分析相似，但复合材料本身具有特定特征，显著增加了其分析复杂度；第二，断口学特征与特性在很大程度上取决于复合材料结构自身及其失效模式，深刻理解这种关联性对于正确分析失效结构、进而推进航空事故调查流程至关重要；第三，对复合材料失效开展更深入的研究与调查，对于航空事故调查过程乃至整个航空业的安全保障均具有关键意义。

随着复合材料在航空各领域的应用日益广泛，服役中复合材料结构与部件发生损伤并需开展分析的可能性也随之上升。而复合材料断口学及失效模式与特征相关研究的不足，可能给此类事故与事件的调查工作带来挑战——美国航空587号航班的材料分析即属此例。

因此，亟需持续开展契合航空领域复合材料实际应用状况的复合材料失效模式与特征研究，以提供必要的认知基础，支撑针对断裂及受损复合材料构件与结构的分析。

本综述所讨论的研究主要围绕实验室尺度实验展开，即对特制样品施加预设且受控的条件。然而，为准确复现结构冲击以及飞机结构在事故中所承受的力与环境条件，持续并拓展模拟、建模或复现实机空难场景条件下的实验研究至关重要。此外，随着天然纤维混杂复合材料等新型材料正被探索用于航空航天领域，有必要将失效模式与断裂分析的研究范围进一步扩展至这些材料。