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1、超级美洲豹事故和调查下超级美洲豹事故和调查(下) 2010年08月25日 上次我们谈到决策者的一次误判使得雷德尔号错过了一次发现问题隐患的机会，并且为此付出了惨重的代价。经过调查，调查人员发现这次严重的事故发生之前是有征兆的，并且决策者曾有机会作出正确的决定，采取措施，避免事故的发生。那么调查人员是如何确定事故原因的呢？ 调查人员对收集到的飞机残骸，以及雷达，健康使用监测系统，和黑匣子的数据进行了仔细检查。同时也听取了目击者的描述。最后得出的结论是在主齿轮箱的行星齿轮箱中的一个行星齿轮的失效损伤导致了齿轮箱箱体的爆裂。这导致了主旋翼桨毂和主齿轮箱上部和直升机完全分离了，也就是解体了。对于直升机
2、来说，主桨解体相当于固定翼飞机的机翼解体，后果可想而知。 调查工作是极为繁重的。从发动机到主齿轮箱，再到主桨毂主桨轴都要仔细的检查。现在先让我们看一下雷德尔号的主齿轮箱（图一）。从发动机到主桨，雷德尔号的动力传动系统从下到上的构成是主齿轮箱主模块，主齿轮箱行星轮模块，主桨毂/主齿轮箱锥形壳，和主桨毂。 图一：主齿轮箱构成 现在让我们按照发动机，主齿轮箱主模块，桨毂/桨轴，以及主齿轮箱行星轮模块的顺序看一看调查人员在雷德尔浩的调查中发现了什么。 事故调查发动机 雷德尔号的发动机被运到了制造商，也就是特帕梅卡公司的大修车间。在调查人员的监督下，特帕梅卡的雇员对发动机进行了仔细的检查。两台发动机都带
3、有严重的外伤，这是不难理解的。解体的飞机以自由落体的状态从空中拍到海里，外伤是不可避免的。具体外伤包括变形的壳体，损坏的发动机固定件和连接法兰盘。 发动机也存在内伤。这些内伤表明在壳体变形的瞬间发动机仍然在运转。第一级压缩机叶片上面有外物冲击导致的损伤。发动机内部空气涵道中残留有直升机机体部件碎片。这些都证明在直升机落海的瞬间，发动机还在运转。位于飞机右侧的二号发动机动力涡轮外壳上面的一道裂纹引起了调查人员的特别兴趣。这道裂纹起源于外壳发生巨大变形的位置。由于仍然旋转的涡轮叶片和变形的外壳发生接触，这道裂纹扩展开来。由于叶片和外壳之间的碰撞，一些叶片被拦腰切断了。 调查人员下载了两台发动机的数
4、字发动机控制单元（DECU，Digital Engine Control Unit）的数据。在对这些数据分析之后发现没有数据超标的记录。单发动机失效（OEI，One Engine Inoperative）模式数据显示这种模式没有被启动。超速继电器的位置进一步证明了发动机没有故障。多发动机直升机在一台发动机失灵的情况下还可以飞行。一般来说，发生故障的发动机和传动系统之间会产生超速现象。这种情况就像在骑自行车的时候，骑车人不蹬脚蹬子了。或者相当于骑车下一个很陡的坡，骑车人蹬车的速度赶不上自行车滑行的速度。在这两种情况下，自行车后轮的速度要大于脚蹬的速度，也就是发生超速现象。为了使得速度慢于后轮的脚
5、蹬不会拖累车轮的旋转，后轮上装有一个飞轮。在发生超速时，飞轮使得脚蹬和车轮之间的传动拖离。直升机的传动系统中也是靠飞轮来断开发生故障的发动机和传动系统的连接，使得坏了的发动机不会阻碍在其他正常工作发动机带动下继续旋转的桨叶。 总之，经过评估，调查人员确认在发生事故之前两台发动机状态正常，没有发现任何前期异常或者温度过高的迹象。问题不是在发动机这里。特帕梅卡公司可以长出一口气了。 事故调查主齿轮箱主模块 主齿轮箱下部通过柔性钛合金固定板和直升机机体连接着。这种柔性钛合金固定板又被称为“烧烤板”。因为它的样子使人联想到作烤肉的铁皮板。这种柔性板的作用是承担主桨通过齿轮箱传来的扭矩，并且将扭矩进一步
6、传递到直升机机体上去。这种板很薄，能够承受在板所在平面之内的扭矩，但是无法承受任何其他形式的载荷。这块固定板上面没有什么伤痕，基本完好无损。这说明什么呢？基本完好的固定板排除了齿轮箱的悬挂支柱（又称为升力支柱）断裂导致这次事故的可能性。齿轮箱在直升机飞行中不光要承受主桨传来的巨大扭矩，还要承受飞机的升力和其他机动载荷。除了扭矩之外，其他的载荷，包括升力和机动载荷，都要由同样将齿轮箱固定在机体上面的几根悬挂支柱承担。一旦某根支柱发生断裂，必然有一部分载荷要传递到那块柔性板上。那块只能承受扭矩的柔性板在其他形式载荷的作用下，会发生严重的变形。所以完好无损的柔性板证明了悬挂支柱在飞机坠海之前是没有断
7、裂的。 让我们再看看齿轮箱里面的状况。第一级行星齿轮的太阳轮通过花键和主模块中的伞齿轮仍旧处于咬合状态。经过检验，这个太阳轮的齿轮摆差很小。齿轮摆差是齿衡量齿轮精度的一个参数。可以正常工作的齿轮的摆差不能超过一定的限度。太阳轮的摆差很小说明在太阳轮上游（在传动系统中经常用上游或者下游来说明部件在动力传输链中的相对位置。发动机相当于源头，主桨相当于最下游。太阳轮的上游就是指太阳轮和发动机之间的动力传输部件。）的部件没有发生过多的异常。虽然太阳轮的摆差很小，但是太阳轮的齿却有严重的伤痕。太阳轮齿的伤痕比行星轮齿上面的伤痕大很多。调查人员经过分析，认为这很可能是在齿轮箱解体之后，行星轮四处飞散，继续
8、旋转的太阳轮和行星轮轴承内环接触导致的。 在伞齿轮支撑板周向5点钟方向（直升机纵轴指向机首方向为12点钟方向）发生了断裂，这个位置和行星齿轮中的环轮发生垂直断裂的位置相吻合。在伞齿轮支撑板断裂处附近的内表面上齿轮留下的齿痕清晰可见。另外支撑板整个周向都有明显的磨擦痕迹。在几个支撑板固定螺栓的螺栓头上也存在磨痕。带有磁铁的碎屑收集槽的大部分都被磨掉了。所有这些损伤看上去都像是第一级的行星齿轮的行星轮在齿轮箱解体之后造成的。 伞齿轮仓由于在海水中浸泡，严重腐蚀。但是，伞齿轮，还有伞齿轮的驱动轮，以及诸如主油泵和应急油泵都没有任何异常状态。在齿轮箱输入端发动机的减速齿轮和辅助齿轮箱部件也没有任何异常
9、的迹象。值得注意的是位于右侧的扭矩测量仪显示扭矩处于超载状态。调查人员认为这很可能是在行星齿轮解体之后发生了齿轮之间发生了一连串的锁死现象，但是右侧的发动机仍然在提供扭矩，所以导致了扭矩超载。 在检查过程中，调查人员在主齿轮箱主模块的机油箱中发现了金属碎块和一些行星齿轮轴承滚柱。 事故调查桨毂/桨轴 桨毂，桨轴和齿轮箱锥形箱部分被分解下来，在空中事故调查局的监督下，雷德尔号的制造商，欧洲直升机公司对这些部件进行了检测。检测显示这些部件上面的损伤和行星齿轮模块损伤之后导致的破坏相吻合。在这些部件上没有发现任何前期损伤的证据。 事故调查行星齿轮模块 因为在前面提到的位置没有发现前期缺陷或者损伤，调
10、查重点继续集中在齿轮箱的行星齿轮模块上。 行星齿轮模块可以说是遍体鳞伤。模块中的累累伤痕说明行星齿轮模块在有相当大的碎块存在的情况下运行了一段时间。二级行星齿轮上面留下了一些一级行星轮的轴承滚柱的痕迹。 环轮（已经完全爆裂），两个太阳轮，每级行星齿轮中的所有八个行星轮，外加行星轮架，都被找到了。唯一没有找到的是二级行星齿轮上面的一个行星轮的大约33%的一截。这也是在二级中唯一损坏的齿轮。一级中有两个齿轮也有损坏。其中一个出现一道裂纹，另外一个碎成了四块。一级上面的所有行星轮都从行星轮架上面脱落下来，行星轮轴承滚柱当然是分崩离析。调查人员只找到了一部分轴承滚柱。所有的行星轮轴承内环都被找到了。没
11、有任何内环带有前期损伤或者老化的迹象。但是有一个一级行星轮轴承的内环在周向上有限的面积内有一些损伤。 调查人员经过分析认为事故的原因是从一个裂开的二级行星轮上面分解下来的一块轮体卡在了环轮和另外一个行星轮之间，这导致了环轮的崩裂（见图二）。所有轮齿上面的损伤证明齿轮箱内存在碎块，齿轮箱在主桨毂解体之前是在完全异常的状态下运转的。但是没有任何证据表明机组人员意识到了主齿轮箱的问题。仅仅是在飞机坠海之前很短的时间内，他们才意识到齿轮箱发生了问题。这时候主齿轮箱发出了低油压警告，同时黑匣子记录下来一声巨响。这声巨响很可能是环轮爆开时所发出的。 图二：重新安装上二级行星齿轮组件的爆裂的环齿轮仰视图 那
12、么到底是什么原因导致了行星齿轮模块的失效呢？为了找到原因，英国的空中事故调查局，以及在空中事故调查局监督之下的欧洲直升机公司继续下一步的调查工作。下一步的调查工作的重点是对雷德尔号行星齿轮模块中的所有部件进行详细的冶金学检验。在对雷德尔号部件进行检验的同时，也对另外一个主齿轮箱中相同的部件进行同样的检验，以进行对比。 调查人员找到了二级中失效断裂的那个行星齿轮的三块轮体，这三块占整个齿轮的大约66%。对这三块轮体的仔细检查发现了一些值得特别注意的地方。最主要的地方是在其中一块上面有一个复杂的断裂面。这个断裂面由五个汇合到一起的裂纹构成。这些裂纹的大部分呈现出疲劳扩展的特征。被认定是最先形成的那
13、个裂纹，看上去是从位于或者接近于轴承外环的一个单一的位置开始的。由于在模块解体过程中在这个位置附近发生了严重的机械损伤，无法确定裂纹的确切起源位置。但是，裂纹表面的特征预示起源处位于外环上面下层轴承滚柱造成的磨损痕迹上的某个位置。而对于外环来说，下层滚柱造成的表面载荷最高。 在欧洲直升机公司，昆内蒂克公司，国家物理实验室，欧潘大学材料实验室和一家X光断层摄影设备制造商，莫蒂斯公司的帮助下，调查人员进行了大量的无损检测和试验。检测包括表面激光造影，三维断层摄影，残余应力测量，三维激光显微检测，电子显微扫描，以及一般的光学显微检测。这些检测的结果为这些裂纹的起因提供了大量的证据，也促使调查者开始一
14、系列的破坏试验和检查。调查者希望通过这些破坏试验可以验证检测的结果，如果可能的话，确定这些裂纹的发源处并且确定起源的原因。 我们前面已经提到过了，在3月25日，也就是雷德尔号坠海前6天，雷德尔号上面的健康和使用监测系统（HUMS）中位于行星齿轮模块的磁性塞在飞机飞行过程中检测到一个碎屑。在直升机返回阿伯丁的基地后，运营者将这个磁性塞拆下来并且进行了目视检测。但是根据当时的记录，没有发现任何碎屑。那天晚上雷德尔号要进行一次25小时的例行检查。但因为正好雷德尔号已经在维修基地了，运营者决定将这次例行检查提前进行。根据飞机维修手册，这种检查的其中一项就是检查磁性碎屑检测塞。就是在这次检查中，维护人员
15、再一次检查了行星齿轮磁性塞，发现了一个碎块。 目前，调查者对3月25日在行星齿轮磁性碎屑检测塞发现的这个碎块仍然在进行仔细的检查。这个碎块是在事故之前34个小时被发现的。已经鉴别出这个碎块属于行星齿轮。碎块的特征表明它是在齿轮材料发生散裂的过程中被剥离下来的。什么叫做散裂呢？简单来讲，散裂是材料的一种损伤形式，最常见的散裂发生在轴承内外环的表面上。环表面的材料在高载荷的作用下会发生剥离。碎块的一面显示出二级行星齿轮轴承外环典型的制造加工痕迹。将这些加工痕迹和一个完好的二级行星齿轮进行对比，可以确定这个碎块来自于轴承外环上面轴承滚柱的滚动摩擦面上的某个位置。这个位置接近于滚柱在环面上造成的表面载
16、荷最大的地点。在除去解体的那个行星轮的其他行星轮轴承的内外环上面都没有散裂的痕迹。这说明这个碎块来自于解体的那个二级行星轮的轴承外环。但是由于找到那个解体行星轮的三块轮体都带有机械损伤，另外还有大约33%的轮体没有找到，到目前为止，调查人员无法建立起我们前面提到的解体行星轮上面5个汇合到一起的裂纹的断裂面和磁性塞发现的那个碎块之间的联系。 同时，调查人员正在继续调查在3月25日发现碎块的时候，雷德尔号的运营商和制造商所掌握的相关信息是否清晰明确，从而能够在发现碎块之后作出合理的决策。但是事实上作出的决策我们都知道了，那就是继续使用检查出碎块的主齿轮箱。当时运营商根据那个碎块的类型认为不需要对行星齿轮模块进行进一步的检查。除此之外，运营商排干了主齿轮箱的机油。在将机油过滤之后，对过滤器进行了检查，没有发现其他的污染物。由于发现了这个碎块，运营商决定在之
