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标题: [图帖] [一代综师]致命的发动机扇叶裂缝——18年美国西南航空1380号航班事故[16P] [打印本页]

作者: raven9sun 时间: 2023-4-11 22:38 标题: [一代综师]致命的发动机扇叶裂缝——18年美国西南航空1380号航班事故[16P]

2018年4月17日，一架波音737在执飞西南航空1380号航班时，左侧CFM56发动机在巡航阶段失效，导致进气道和部分整流罩脱落。发动机内的碎片飞出后击碎飞机舷窗，导致一名乘客遇难。这也是自2009年以来美国客机首次发生致命事故。
虽然飞机受损严重，飞行员还是想办法安全降落在费城，机上剩余的148人平安落地。最终事故报告指出，事故原因是发动机13号风扇叶片因金属疲劳，从发动机轴心分离，导致一片扇叶脱落。这也凸显出737发动机短舱设计缺陷问题，以及它隐藏了二十多年的致命缺陷。

图、西南航空经营一支全波音机队

西南航空是全球最大的低成本航空公司，总部位于美国得克萨斯州达拉斯，航线通达城市121座。西南航空是全球最大的波音737运营商，旗下机队的786架客机均为波音737型。
西南航空1380号（WN1380）航班是从美国纽约拉瓜迪亚机场飞往达拉斯爱田机场的定期航班。2018年4月17日，1380号航班机长是塔米·乔·舒尔茨（Tammie Jo Shults），56岁，她此前曾是美国海军战斗机飞行员，累计飞行11715小时，其中737型为10513小时。副驾驶达伦·李·埃里索（Darren Lee Ellisor），44岁，他此前曾是美国空军飞行员，累计飞行9508小时，其中737型为6927小时。航班上一共搭载149人，包括144名乘客和5名机组成员。

图、舒尔茨曾是一名海军战斗机飞行员，她曾是美国海军第一位驾驶F-18A大黄蜂战斗机的女飞行员

执飞航班的是一架注册号N772SW的波音737-7H4型客机，机龄22.7年，累计飞行63521小时/37021起降循环。这是第三代737机型，在2000年7月交付予西南航空公司。
N772SW号机搭载着两台CFM56-7B24型发动机。左侧发动机在1997年制造，2012年安装在N772SW号机上，累计飞行67040小时/40569循环。没有人知晓，发动机深处有一个细微但危险的缺陷。

图、N772SW号机

上午（下同）10点43分，1380号航班从拉瓜迪亚机场起飞，开始向38000英尺（约11582米）巡航高度爬升。11点03分，飞机爬升至9800米高度时，左侧发动机突然发生失效，大部分发动机进气道和部分整流罩脱落，一块碎片击穿客舱窗户，导致飞机发生爆炸性减压，驾驶舱响起多个警报声。
飞机因剧烈震动开始向左倾斜，倾斜一度达到41.3°，回过神的副驾驶埃里索奋力操纵，才将飞机改平。飞行员评估飞机后，很快意识到发动机出故障了，机长舒尔茨决定紧急下降。
两名飞行员开始戴上氧气面罩，副驾驶开始紧急下降。机长要求降落在最近的机场，但是附近都是小机场，他们最后决定降落在费城。飞机受损严重，难以控制。机长决定接管飞行，副驾驶执行紧急检查单。

图、发动机爆炸瞬间示意图

飞机下降至3000米以下后，氧气逐渐充足，机长舒尔茨决定执行长进近，以确保有时间完成检查单。此时乘务员传来紧急消息：窗户爆开了，有人被吸了出去！
第14排的一名女乘客詹妮弗·里奥丹 (Jennifer Riordan) 被卡在窗户上，在两名乘客的帮助下，乘务员将受害者拉入舱内。里奥丹危在旦夕，飞行员决定加快着陆速度。
里奥丹被拉入舱内，其他乘客对她展开紧急心肺复苏，她的健康状态很糟糕，头部、颈部和躯干遭受严重的钝器外伤。

图、飞机受损示意图

现在飞机虽然处于飞行员的掌控之中，但是客舱中的乘务员却面临一个棘手的问题：他们需要重新安置14B和14C座位的乘客。
1380号航班坐满了乘客，飞机没有空座。一名乘务员决定让一名乘客坐在后厨房的折叠座椅上，她则坐在地板上，被附近的乘客拉住。另一名乘客和乘务员也坐在地板上。
紧急状况也激活了机长舒尔茨驾驶战斗机的“基因”，她知道飞得越快，飞机越利于操纵。她决定使用5°襟翼加快降落速度。
由于使用减襟翼构型，飞机落地速度比正常情况快了80公里/小时。1380号航班最终平安降落在费城机场27L跑道上，由于没有直接危险，飞行员并没有立刻疏散乘客，而是让医护人员进入飞机救助伤者。
里奥丹被送往费城的一家医院，但最终不治身亡。她也是美国商业航班九年多第一位遇难的乘客。

图、NTSB调查员查看受损的发动机

美国国家运输安全委员会（NTSB）接手了后续的事故调查。很明显，飞机发动机发生了非包容性事故，风扇叶片在飞行中脱落。
CFM-56涡扇发动机的主风扇盘由24个连接到中央轮毂的风扇叶片组成，正常运转时，发动机前端的风扇盘每分钟旋转约五千次，将大量空气吸入发动机驱动涡轮转动。其中一块叶片从轮毂上脱落了，调查员还从其他叶片上观察到了“沙滩纹”。
“沙滩纹”也被称为疲劳辉纹，是指金属构件在交变载荷下发生疲劳裂纹时在断口上留下的显微痕迹。每一周次应力循环总要使裂纹发生一个微小的扩展，在断口上留下较为平坦的断面。如果将该断面作电子显微镜观察时，则可以观察到一组近似平行的弯曲线条，形似沙滩线。

图、风扇叶片出现的“沙滩纹”

出现“沙滩纹”，意味着风扇叶片发生了金属疲劳断裂。
随着时间的推移，风扇叶片的裂纹会变得越来越长，直至叶片失效。航空公司机务会通过定期检查确保叶片安全。
维修记录显示，左侧发动机曾在2012年进行过一次大修。在检修期间，机务会将每块叶片的涂层去掉，再使用荧光液渗透探伤检查金属疲劳裂纹。

图、荧光液渗透探伤出的裂纹会呈现荧光细线

该探伤法使用含有荧光物质的渗透剂，经清洗后保留在缺陷中的渗透液被显像剂吸附出来。用紫外光源照射，使荧光物质产生波长较长的可见光，在暗室中对照射后的工件表面进行观察，通过显现的荧光图像来判断缺陷的大小、位置及形态。
左侧发动机失效的是第13号叶片，在2012年的大修中并未发现问题。在当时，发动机的所有叶片都处于正常状态。每1500~3000次飞行之后，机务都会对叶片进行润滑和目视检查。从大修到事故发生，左侧发动机累计飞行18088小时/10712循环，其中进行了七次例行检查。
金属疲劳断裂属于脆性断裂，部件看起来正常，既没有变形，也没有弯曲，但是内部的裂纹却会越变越大。发动机启动后，离心力会将叶片向外拉伸，叶片根部会承受更多应力。为了固定叶片，叶片根部会设计成燕尾榫形状：一个更宽的凸缘部分，插入风扇轮毂的边缘，利用旋转力将叶片牢牢地固定到位。
但是发动机制造商CFM低估了燕尾榫承受载荷的大小。随着发动机数以千计的启停，一些CFM56风扇叶片的燕尾榫在生命周期的早期就会形成疲劳裂纹，这比预期的要早。

图、发动机受损图

2016年8月27日，一架执飞西南航空3472号航班的波音737客机，从新奥尔良起飞不久，发动机叶片和燕尾榫分离。叶片碎片在发动机内旋转，向前移动撞击发动机进气道。高速飞出的碎屑刺破了左侧机身，导致客舱失压，并损坏了机翼和尾翼。
飞行员执行紧急下降，迅速备降在彭萨科拉国际机场，此次事件并未造成人员伤亡。
事后，CFM发布一份服务公告，要求自上次大修以来，对累计超过15000个飞行循环的风扇叶片进行超声波检查，以检测裂纹。

图、左侧为2016年西南航空3472号航班，右侧为2018年西南航空1380号航班，破损发动机对比图

调查员使用高倍显微镜，从1380号航班失效叶片上发现了32636条辉纹，这些裂纹早在6年前就出现了。2012年发动机大修时没能检查出来，可能因为裂纹还不够深。后续的目视检查中也没有发现裂纹，是因为它隐藏在铜镍铟涂层下面。
2018年4月17日，发动机叶片的裂纹已经深达1.23厘米，非常逼近失效的临界点。

图、一块失效的风扇叶片显示出有疲劳痕迹的断裂表面

令人担忧的是，当时还有超过4千架737使用同款发动机叶片。这意味着1380号航班的灾难随时可能在空中上演。
NTSB认为超声波检测能更有效地发现裂纹。这是一种无损检测技术，它使用频率为0.1-15MHz的超声波脉冲检测材料内部缺陷。
但是超声波检测在当时并未被认证，因此也没有大规模推广使用。
图、超声波检查发动机叶片示意图
1380号航班同样暴露出CFM56包容性设计问题。风扇盘被一个具有保护性的风扇整流罩包围，它能吸收弹出风扇叶片的高能冲击。整流罩由两个半圆形部分组成，通过铰链连接到机翼吊架上。它在维修时能向两侧打开。
CFM发动机整流罩通过底部三个径向锁固定在一起，叶片断裂甩出后，直接击中了底部的径向锁，这也是发动机最脆弱的地方之一。猛烈的气流吹开了整流罩，导致碎片高速向外扩散。而发动机在取证的时候，并未考虑到这种失效情况。

图、风扇整流罩结构图

1380号航班左侧发动机13号叶片的裂纹，在日积月累地运转中越变越长，最终在2018年4月17日的飞行中失效。叶片击中整流罩径向锁，导致非包容性故障。一块碎片击碎14排座位窗户，爆炸性减压将一名乘客吸到舱外。
调查员找到风扇整流罩时，发现它并未失效。按照设计，断裂的风扇叶片从未突破整流罩的铝合金壁。相反，CFM56-7发动机未能满足另一个要求：在风扇叶片脱落事件（FBO）中，发动机短舱结构保持完整。
1996年，CFM56-7发动机在取证进行测试时，证明弹出的风扇叶片被包裹在风扇整流罩内。测试数据发给波音公司，波音公司设计了风扇整流罩和进气道，这两部分共同构成了发动机短舱。

图、CFM56-7发动机和短舱示意图

1997年，波音公司使用计算机模拟计算显示，在风扇盘上发生FBO事件，不会破坏短舱结构完整性。但是这些场景没有涉及风扇径向锁。
当13号风扇叶片断裂后，断块砸向整流罩包容环底部，其中2块残留在包容环内，发动机发生喘振，断块打断进气道和包容环连接部，导致进气道脱落。
断块还对径向锁发出能量非常大的冲击载荷，导致径向锁失效。整流罩破裂后，断块飞离击碎第14排窗户，飞机发生爆炸性减压。让发动机故障变成了一起致命事故。
飞机能平安落地也仰仗舒尔茨机长和副驾驶埃里索的通力协作，正是他们多年的训练和经验，才让这架严重受损的飞机平安落地。

图、发动机受损的整流罩

NTSB还指出另一个安全隐患，根据《西南航空公司的机组人员手册》，所有乘务员在着陆期间都应该坐在他们的折叠座椅上，以协助紧急疏散。但其中两人却坐在地板上，如果着陆时发生意外，两人可能会受重伤。
此外，乘客还需要安置没有座位的乘客，他们也不应该坐在地板上。但此时就会形成一个悖论，航空公司没有考虑过座位数减少的情况。14排的三个座位不能坐，飞机上的人比有效座位多。
NTSB发布最终的事故报告，其建议波音公司重新设计发动机整流罩，避免叶片脱落导致的严重事故。美国和欧洲的制造商也开始评估其他发动机，以确保没有类似安全隐患。西南航空公司向乘务员强调紧急着陆时坐在折叠座椅的重要性。美国联邦航空管理局（FAA）制定关于在飞行中缺少座位的行动指南。

图、1380号航班事故调查报告封面

事故发生后，FAA下令对所有高循环的CFM56风扇叶片进行超声波检查。西南航空更是宣布对所有的CFM56风扇叶片进行检查。自从1380号航班事故以来，再也没有发生过类似的发动机故障。而涉事的N772SW号机也一直“赋闲”，存放在加利福尼亚州维克多维尔的仓库中。
1380号航班所有机组人员在白宫举行的招待会上都因英勇行为而受到表扬。

图、《钢铁般的意志》封面

2019年舒尔茨写了一本关于此事件的书《钢铁般的意志》。2020年舒尔茨从西南航空公司退休，当年12月10日，她入选国际航空航天名人堂。

[ 本帖最后由 raven9sun 于 2023-4-12 00:22(GMT+8) 编辑 ]

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