飞机结构使用寿命可以从不同的角度进行分类。
按飞机型号全寿命周期分类,可分为飞机设计使用寿命和飞机服役使用寿命。
飞机设计使用寿命是指在飞机设计阶段所确定的使用周期(飞行小时、飞行次数、日历年限等),在该周期内按设计使用载荷/环境谱飞行时,预期可保持其结构完整性。飞机设计使用寿命既是新机的一种主要的技术指标(对军用飞机是战术技术指标,对民用飞机是使用技术指标),又是飞机服役使用寿命的一种期望值。飞机设计使用寿命一般是由飞机订货方提出,并经承制方验证来确定。飞机设计使用寿命一旦通过一系列分析和试验(特别是全尺寸疲劳/耐久性试验)确定后,一般是不变的,如果要改变它,那就属于延寿范畴了。
飞机服役使用寿命是指飞机从服役开始到股役终止所历经的使用周期(飞行小时、飞行次数、日历年限等)。从飞机使用寿命监控角度来说,飞机服役使用寿命包括飞机基准使用寿命和单机使用寿命。飞机基准使用寿命是指飞机设计完成后所确定的使用周期(飞行小时、飞行次数、日历年限等),在该周期内按基准使用载荷/环境谱飞行时,预期可保持其结构完整性。单机使用寿命是指单架飞机从服役开始到退役为止所历经的使用周期(飞行小时、飞行次数、日历年限等),在该周期内按该机使用载荷/环境谱飞行时,预期可保持其结构完整性。飞机服役过程中由于使用方法和使用条件(载荷和环境)的可能变化,飞机服役使用寿命一般是动态可变的。
飞机设计使用寿命是该型号所有飞机在设计阶段确定的可靠性使用寿命,具有一定置信水平下的高存活率;飞机基准使用寿命是该型号所有服役飞机的可靠性使用寿命。这两种使用寿命均属群体寿命,存在寿命的分散性。单机使用寿命是该型号某单架飞机的个体寿命,其本身不存在寿命的分散性。
这里说的飞机型号全寿命周期,是指该新机从概念设计开始到退役为止的整个寿命管理周期,它与飞机使用寿命有关,但与飞机使用寿命是完全不同的两个概念。
根据国军标要求,按飞机设计使用寿命指标分类,飞机使用寿命由以下几个部分组成:
(1)飞行小时数;
(2)飞行次数;
(3)使用年限(日历寿命);
(4)机场滑行次数;
(5)机场起飞次数;
(6)舰上起飞次数(对舰载机);
(7)着陆(舰)次数。
在以上七大组成部分中,最基本也是最重要的飞机使用寿命是飞行小时、飞行次数和日历寿命这三大指标。
按飞机结构设计准则分类,飞机使用寿命分为安全寿命和经济寿命(耐久性使用寿命)。
按安全寿命设计准则所确定的飞机使用寿命称为安全寿命。安全寿命是采用大分散系数所获得的具有极低疲劳开裂概率的使用寿命,分散系数取决于疲劳可靠度(疲劳开裂概率)的要求和结构疲劳寿命分散性。按照安全寿命准则确定的疲劳寿命可以使飞机在该寿命期内结构疲劳破坏概率很低,以确保结构的使用安全。
按耐久性设计准则所确定的飞机寿命称为经济寿命(耐久性使用寿命)。
参照国军标,结构的经济寿命(耐久性使用寿命)是由结构耐久性试验和分析、评估结果所得到的寿命,即当结构大范围出现损伤,若不修理则影响装备的使用功能和战备状态,而修理又不经济时,则认为结构达到了经济寿命。其特征是损伤部位的数量和修理费用迅速增加。经济寿命必须有规定的维修大纲(计划)与之对应。按照经济寿命准则确定使用寿命不仅考虑了结构的安全性,同时考虑了经济性。
在GJB67.6A—2008中,把按耐久性设计准则所确定的寿命称为耐久性使用寿命,该规范所规定的耐久性使用寿命既包含了GJB775.1—89和GJB2876—97的经济寿命概念,又包含了GJB67.6—85的安全寿命概念。对可检可修的结构为经济寿命设计,对不可检结构为安全寿命设计。
很显然,安全寿命和经济寿命(耐久性使用寿命)均是用来确定并验证飞机设计使用寿命的,飞机设计是否成功的一个重要判据是:在给定的某一高可靠性水平下的耐久性使用寿命(经济寿命/安全寿命)应大于或等于订货方所提出的飞机设计使用寿命指标。
按飞机寿命监控分类,飞机使用寿命可分为基准使用寿命和单机使用寿命。
飞机使用寿命监控分为机队监控和单机监控。机队监控需要进行机队飞机的载荷/环境谱测量,由此可编制服役飞机的基准使用载荷/环境谱,按该载荷/环境谱进行疲劳/耐久性分析或对比试验所给出的飞机寿命是飞机基准使用寿命。很显然,飞机基准使用寿命是对设计使用寿命的重新评定和修正。单机监控需要对每架飞机搜集所历经的使用数据,并用这些数据进行每架飞机关键部位的耐久性和损伤容限分析和控制,以监控每架飞机的寿命耗损情况,直至该架飞机退役为止,由此可获得每架飞机从服役开始到退役为止所历经的实际飞行小时数、飞行次数或日历寿命,即单机使用寿命。很显然,单机使用寿命是通过单机监控获得的。对于具体的单架飞机来说,单机使用寿命可能比基准使用寿命长,也可能比基准使用寿命短,但绝大多数单机使用寿命应该比基准使用寿命长。如果不进行单机监控的话,每架飞机的使用寿命就是基准使用寿命。
既然飞机基准使用寿命是飞机投入使用后对飞机设计使用寿命的验证和修正,飞机基准使用寿命应该大于或至少等于飞机设计使用寿命。如果所给出的飞机基准使用寿命比设计使用寿命短的话,就要分析原因,或者是原先给出的飞机设计使用载荷/环境谱有问题,或者是设计本身不满足飞机使用要求,并且在分析原因的基础上采取相应措施,使其最终满足使用要求。
在飞机机队监控过程中,由于飞机实际使用方法和使用条件(载荷和环境)的可能变化,随着使用数据的不断累积,飞机基准使用载荷/环境谱要定期或不定期更新,相应地,飞机基准使用寿命也会发生变化,无论怎样变化,基准使用寿命总是要大于(至少等于)飞机设计使用寿命,而且基准使用寿命的这种动态变化应该越来越接近飞机的实际寿命。单机使用寿命更是动态可变的。这里的基准使用寿命和单机使用寿命可以是飞行小时和飞行次数,也可以是日历寿命,不管以哪种形式表示,它们都是动态可变的。
按疲劳损伤的力学机理分类,飞机使用寿命可分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命。
疲劳是工程材料和结构在循环载荷作用下的一种机械破坏形式。飞机结构和材料在循环载荷作用下的疲劳过程一般分为三个阶段:裂纹形成、裂纹扩展和最后断裂。相应地,飞机结构疲劳寿命可分成裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命,裂纹形成包括初始裂纹和小裂纹增长,裂纹扩展包括从小裂纹开始扩展到最后断裂。飞机总寿命等于裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和。
按飞机所处的状态分类,飞机使用寿命可分为疲劳寿命和日历寿命两大类。
与飞机飞行状态直接有关的使用寿命称为疲劳寿命,如飞行小时、飞行次数、破坏循环数等,疲劳寿命主要由疲劳载荷产生,其次是腐蚀环境。很显然,裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命属疲劳寿命范畴。既与飞行状态直接有关,又与飞机停放状态直接有关的使用寿命称为日历寿命,日历寿命由疲劳载荷和腐蚀环境共同产生,其寿命单位为日历年。不能认为日历寿命只与飞机停放状态有关,或者只是由腐蚀环境产生。
由于飞机在整个使用寿命期内会进行若干次在修理厂进行的全面检查和修理(大修),因此,按飞机维修性划分,无论是疲劳寿命还是日历寿命所表示的飞机使用寿命均由首翻期、修理间隔和总寿命构成。首翻期是结构首次进厂大修前的使用时间,修理间隔是两次大修之间的使用时间间隔,而总寿命是使用终止对应的总使用时间,它是首翻期和所有修理间隔的总和。实际上的整体结构大修时间与总寿命是以疲劳寿命和日历寿命指标为基础,根据实际使用情况,按照先达为准的原则予以确定。