失压梦魇 — 漫谈空中浩劫
(2013-03-04 23:07:18)
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失压梦魇 |
分类: 科技 |
Mayday, Mayday,Mayday.....也许这是空管最不愿意听到的声音。然而,在飞机灾难性(catastrophic)事故征候出现时,飞机驾驶员不得不紧急呼救,希望就近紧急着陆,以挽救生命。其中就包括危及生命的飞机增压舱失压及其次生灾害显现时。
机舱失压就是飞机在飞行时,飞机增压舱和外部的压差比预定值显著减小甚至为零,也就是飞机失去增压或增压系统不再起作用。
现代喷气式旅客机,巡航高度达到同温层,不仅环境温度低过人类存活的生理极限(每升高1,000米,大气温度大约下降6.5摄氏度),而且随着高度的增加,空气变得越来越稀薄(即大气密度越来越小),氧气越来越少,远远超出常人的生理承受能力。因此,飞机载人区必须是增压舱并调节到适宜温度,也就是生命保障系统(Life Support System)。
飞机增压舱的压力控制和和温度调节功能是由环境控制系统(ECS:Environment Control System)执行的。随着飞机飞行高度的上升,飞机的增压系统会缓慢地给增压舱增压,并将机外的新鲜空气(fresh air)经ECS系统调温调压后送入增压舱,使舱内人员不至于因为高空压力小和氧气不足而产生不舒服的感觉。如果飞机在高空遭遇增压舱失压,机舱压力减小,空气稀薄,维持生命的氧气严重不足,旅客在瞬间身体膨胀、缺氧窒息从而逐渐失去意识。如果不能及时补充氧气,结果会因缺氧而窒息死亡。
飞机上的氧气系统,是在飞机增压舱遭遇意外失压后,氧气面罩自动脱落,以维持乘员的短期吸氧。但飞机上的氧气系统供氧时间有限,现代飞机基本采用化学产氧装置,通常只有十几分钟。因此,飞机遭遇失压,驾驶员必须让飞机快速降低高度,以从大气中获得氧气补充,维持生命。
飞机增压舱的增压压力,一般以“客舱压力高度”表示。除787外,现代旅客飞机广泛采用8,000英尺(2,438.4米)客舱压力高度。说得通俗一点,相当于海拔2,438.4米高原上的大气压力和密度。而787飞机,客舱压力高度采用6,000英尺(1,828.8米)。显然,从舱内氧气供应和压力来讲,787的乘坐舒适性优于其它旅客飞机;但机身结构必须承受比其他旅客机更大的压差。
由于增压舱存在内外压差,每次飞行必然会经历一次增压和减压的过程,好像轮胎承受一次充气和放气。对于金属结构的机身,由于金属结构在交变载荷循环作用和持续积累下会产生疲劳,进而产生疲劳裂纹。如果疲劳裂纹得不到控制,得不到及时维修,在强大的压差作用下,有可能产生结构破坏而导致飞机失压或空中解体,酿成空难。
增压舱内外压差随高度而变,典型例子如下表所示。以客舱压力高度8,000英尺(2,438.4米)为例,标准大气条件下(压力高度=几何高度),飞行高度35,000英尺(10,668米)时,机身结构承受的压差是5,243.44千克/平方米,相当于每平方米要承受大约5.24吨朝向机外的法向作用力。设想一下,如果机身结构因疲劳而导致局部或大面积强度下降,在如此强大的“膨胀”力的作用下,就有可能发生像开香槟酒或爆炒米花那样的“爆炸”而导致空中解体。英国彗星号、美国阿啰哈航空243航班的空中解体就是典型的例子。
除了因机身结构疲劳破坏外,还有很多其他因素会导致失压梦魇。飞机机身上有很多大小不等的开口,如舱门、应急出口、舷窗等,位于增压舱的每个开口都必须是密封的;任何导致丧失密封的故障或潜在危险都有可能将飞机带入失压梦魇。此外,还有增压系统自身故障以及人为因素。可以说,航空技术进步的不少篇章都是用鲜血写成的。
彗星陨落:50年代世界首款喷气式旅客机英国彗星号,开始处女航不到两年就在空中解体,三个月后又一架彗星号客机空中解体,整个机队因此停飞。事故分析期间做了地面水槽试验,7/24连续模拟飞机飞行中机身座舱的增压和减压;当试验做到3,000次循环时,发现了问题:方形舷窗的尖角处出现疲劳裂纹。裂纹会迅速延伸到机身其他部位,在内外压差所产生的强大外推力作用下造成机身解体。彗星号的金属疲劳裂纹及其迅速扩散造成空中解体的惨痛教训,导致了设计改进:(1)椭圆形舷窗;(2)加上铆钉以强化蒙皮,遏制机身任何一处可能出现的裂纹进一步扩散。
阿啰哈的奇迹:彗星号空中解体灾难发生34年后,1988年4月28日,阿啰哈(Aloha)航空243航班从夏威夷大岛希洛机场飞往檀香山,在24,000英尺的巡航高度上,机身上部35平方米的结构瞬间剥落飞离,机舱瞬间爆炸失压,舱内大量物体被吸出机外,附近的旅客就像坐在超高速奔驰的敞篷车里,经受着强大气流的拍打和低温的煎熬,机身面临解体的危险。机长立即以20米/秒的下降速度紧急下降,10多分钟后奇迹般地在茂宜岛的卡富鲁伊机场安全迫降。
此次空难只一名空中服务员被吸出机外罹难,其余人员安然无恙。事后NTSB( National Transportation Safety Board:美国国家运输安全委员会)调查人员发现,多道头发丝一样的裂纹贯穿几块机身蒙皮,裂纹均始于铆钉孔四周,肉眼可见。这是典型的金属疲劳裂纹。事实上,机身是弹性结构,在内外压差的反复作用下,就像一个气球反复充气放气,交替膨胀收缩,使金属产生疲劳。阿啰哈航空243航班的737-200型飞机已经飞行了19年,离飞机的日历寿命还差一年;但累计起落总数已经达到89,000次,比飞机的设计起落寿命75,000次超出14,000次(注:飞机设计寿命通常以“日历年/飞行小时/飞行起落次数”来定义,其中只要有一项先到,就认为寿命已到。显然经常飞长航程的“飞行小时”先到,经常飞短航程的“起落次数”先到,利用率低的“日历年”先到。)
阿啰哈航空243航班737-200出现的空中大面积机身结构撕裂飞离(机身前段6个框距的上半框结构),与彗星号空中爆炸解体虽然都是疲劳裂纹引起,但737已经吸取了彗星号的教训,采用“止裂条”设计,将机身出现任何裂纹限制在10平方英寸之内,将机舱失压控制在安全范围之内。但是,“止裂条”没有能够阻止金属疲劳导致的飞机解体。原因是:(1)机身裂纹太多,这些裂纹几乎连成了片;(2)“止裂条”零件搭接靠环氧基胶黏剂再加铆接,由于夏威夷地区是海上航线,空气潮湿且含盐,胶黏剂长期遭盐雾腐蚀失效,无法阻止裂纹扩散。
1988年5月初,也就是在阿啰哈航空243航班事故发生后几天,我参加了CATIC/BOEING干线飞机联合可行性论证来到西雅图。波音的同行们并没有因阿啰哈航空243航班737-200事故而三缄其口,相反,当我们询问此次事故时,他们不但向我们介绍,而且还流露出自豪的神情。“机身6个半框离体,飞机安全着陆, 只死了1个人……”这的确是空难史上的奇迹。事后,美国总统里根还接见了阿啰哈航空243航班机组,并大加褒奖。
风挡玻璃飞出:1990年6月10日,英航5390班机由英国伯明罕飞往西班牙马略卡,爬升2分钟后,正副驾驶将飞机切换到自动驾驶,解开安全带。在5,200米高空,正驾驶前面的一块风玻璃像开香槟酒时的软木塞一样,从窗框飞出,机长兰卡斯特被吸出座位,被550公里/小时的强风吹定在机头外,腿被里面的空服死命拽住,飞机由副驾驶控制。所幸飞机安全降落在南安普敦,机长也奇迹般的活了下来。
事故调查发现:(1)该机的风挡玻璃是从机外贴合到窗框上,再用螺钉固定;这应该算设计缺陷;(2)维修记录表明,起飞前几小时这块风挡玻璃被调换过,而且固定螺钉用小了一号;这显然是维修工作失误。
货舱门锁失灵:1989年2月24日,美联航811航班747-122型飞机从檀香山飞往新西兰的奥克兰,机上有355人还有货物,预计飞行9.5小时。飞机爬升到7,000米,货舱门撕裂开一段机身,瞬间“爆炸”失压,机身侧面出现了一个大洞,但飞机没有解体。机长迅速下降高度、紧急放油,终于安全返回檀香山机场。机上共有空勤机组3名、机上服务15名以及337名乘客,其中9名乘客被吸出客舱坠入太平洋,其余人员生还。
有趣的是在此后NTSB展开事故调查过程中,在事故中罹难的新西兰乘客李坎伯的父母凯文和苏珊坎伯同时展开了私人调查,重点聚焦在舱门脱落原因。他们的调查发现,747的前货舱门存在两大设计缺陷:(1)L形摇臂无法有效防止C形闩旋转开锁:舱门锁机构系统中的电动马达驱动C形闩上锁,而门把手作动L形摇臂将C形闩止动在上锁位置(类似于螺母防松设计)。但铝制L形摇臂由于自身强度和刚度不足无法有效阻止C形闩旋转开锁;(2)C形闩电动系统存在问题:正常情况下C形闩上锁后,门把手驱动L形摇臂将C形闩止动在上锁位置,门外的主控锁开关(接通或断开C形闩马达电源的开关“CARGO DOOR SWICH”)应切断电源。不幸的是CARGO DOOR SWICH存在故障,没能切断电源,C形闩电动马达仍在通电状态,并不断旋转C形闩挤压L形摇臂,在货舱门内外压差的联合作用下,终于使舱门锁机构失灵而导致前货舱门空中开启,并撕裂邻近机身结构。两年后NTSB的事故调查报告证实了坎伯夫妇的调查分析结论,波音据此更改了货舱门锁机构系统的设计。
幽灵飞行:2005年8月14日,太阳神522航班的737客机在雅典上空盘旋近1个小时,通讯中断。希腊军方疑似恐怖袭击,派出两架战机升空,一架尾随其后,另一架与其平行飞行。战机驾驶员观察客机外部没有任何损伤和起火迹象,试图与客机驾驶员手语沟通,未得到客机任何反应,也看不到舱内有人活动,就象幽灵驾驶的飞机一样。但飞机突然下降坠落地面,机上121人全部丧生。
事故原因扑朔迷离。尸体解剖结果认为飞机坠毁前机上人员应该活着,死于飞机坠毁时与地面发生的巨大撞击。但为何机上人员在空中没有任何反应?事故调查组主任开始追踪地面维修记录,发现最后一次升空前因怀疑舱门漏气进行过地面维修。地面维修工程师进行了舱内增压试验,检查的方法是先将驾驶舱内的增压开关转到“手动”(开关有“自动/备用/手动”三个位置:AUTO/ALTN/MAN),并将舱内数个舱压调节器也转为“手动”,然后用辅助动力装置(APU)给机舱增压,就象检查轮胎漏气一样;增压过程中测量舱内压力。通常,不管飞机新旧,即使维护良好的飞机也不可能完全密封。为了找出异常漏气,通常要加强增压。检查结果飞机状态良好。但检查过程却犯下了致命错误:数个舱压调接器留在了“手动”状态。机组不知道飞机进行过地面增压试验,也没有注意驾驶舱增压开关的档位;飞机升空后,驾驶舱曾发出飞机未增压的警铃,但伴随着还有另一警铃,驾驶员无法辨认。在警铃大作后,驾驶员曾与签派中心通话,报告了警铃无法辨认的事,警铃大作却遭到误解,这是致命错误。同时,客舱氧气面罩脱落,而驾驶舱是没有氧气面罩自动脱落功能的(防止损坏仪表)。机师和驾驶员在不知道机舱没有增压的情况下,未及时采取吸氧措施,直至昏厥失去意识。旅客舱采用化学产氧装置供氧,时间只能维持12分钟,氧气很快消耗殆尽。舱内得不到增压,完全暴露在与机外相同的致命环境中,机上人员再无生还可能。
那么,飞机为什么还能正常飞行?原来驾驶员在失去意识之前,已将飞机设置在由自动驾驶仪控制飞机飞往雅典。这样,太阳神522航班就成了幽灵驾驶的飞机。
其中还有一个细节,在希腊战机伴飞期间,机上还有一个人有意识,他就是机上服务员安德烈普罗卓莫,靠氧气瓶维持生命不可缺少的氧气,他设法进入驾驶舱挽救这架飞机。战机报告了雅典飞管中心,说看见驾驶舱有个人在移动。但终因燃油耗尽坠毁。调查组在残骸中发现了仪表板上的增压开关,确认设置在“手动”档位。
空中浩劫特輯:失壓夢魘