本系列文章由北京航空航天大學陳光教授在90歲高齡下親筆完成，授權本公眾號發表。「老驥伏櫪，志在千裡。烈士暮年，壯心不已」。已是耄耋之年的陳光教授仍在教育的土壤上躬耕不輟，奔走各地，在科學的大道上，勤奮在左，無私在右，一路播種，一路花開。他的學術成就和教育貢獻已成為我國航空領域的寶貴財富，不僅時時啟迪今人，亦將長久惠澤後世。
陳光，北京航空航天大學能源與動力工程學院教授。1955年畢業於北京航空學院，中國著名航空發動機專家。曾擔任中航第二集團公司科技委委員，中國航空學會理事、副秘書長，長期擔任北京航空航天學會常務理事兼秘書長，享受國務院政府特殊津貼。
由遄達900滑油洩漏造成澳航A380受損的原因分析
2010年11月4日澳航QF32航班的A380客機由新加坡起飛後爬升達到2134 m高度時，其二發中壓渦輪輪盤突然爆裂，斷塊擊穿機匣後，擊中飛機多個部位，造成A380嚴重受損事件。固定在高/中壓渦輪軸承腔轂體上的滑油短管加工成管璧厚薄不均，多次工作後，在管壁最薄處短管疲勞斷裂滑油漏出並自燃，是引發此次事件的元兇。本文詳細分析了此次發動機非包容故障產生的原因，故障發生的過程。
關鍵詞：A380；遄達900；非包容故障；滑油短管；HP/IP渦輪軸承腔；滑油洩漏；滑油自燃；輪盤爆裂；輪盤斷塊；
On 4 November 2010，Qantas flight 32’s A380， departed from Singapore， when it climb and passing 2134m above mean sea level，the No 2 engine’s IP turbine disc suddenly burst，disc segment penetrated the engine casing and damage the aircraft structural and systems，resulting in serious damage to the A380 aircraft. The HP/IP oil feed stub pipe where it fits into the HP/IP bearing chamber hub had a manufacturing defect that resulted in a wall thickness reduction，after many times operations，the pipe fatigue crack， and then， oil leaking and auto-ignition. That is the crime culprit of this incident. In this paper， detail analysis the reason of Trent 900 uncontained failure and failure development process.
Keywords: A380；Trent900; uncontained failure; oil stub pipe; HP/IP turbine bearing chamber; oil leak；oil auto-ignition; disc burst; disc segment
2010年11月4日澳航的A380客機執行倫敦-新加坡-雪梨的QF32航班任務，飛機由新加坡起飛時，機上載有440名乘客及26名機組成員，當飛機以463 km／h的速度爬升達到2134 m高度，飛越印度尼西亞的巴淡島時，突然出現了爆炸聲，1min後，中央電子監視系統（ECAM) 發出了43條表明飛機多個系統出現問題的信息，隨後又出現10條信息，機組人員隨即啟動了ECAM系統處理程序。在這個處理過程中，大部分問題無法恢復原功能，飛機處於難以控制的狀態。
原來是2號發動機（位於左機翼內側）中壓渦輪盤突然爆破，斷塊以很大的離心力打穿渦輪機匣與發動機短艙（參見圖1），一塊斷塊穿透左翼前緣，對機翼的前緣結構、前翼梁和上表面造成了損傷。一小塊渦輪盤還穿透了左翼與機身之間的整流罩，打到機身結構以及飛機的電纜，電纜受損後進而影響到了液壓系統、起落架系統和飛行控制系統。殘塊還擊中了左翼下表面，使得2 號發動機油箱和左翼內部油箱的燃油發生洩漏。2 號發動機的吊架、1 號發動機、機身左側龍骨梁的連接部件和左翼縱牆也受到了損傷，另外飛機機身左側也發現了殘餘碎片。由此造成多處飛機結構以及多個系統受損（參見圖2）：綠色液壓系統處於壓力低和流速慢，黃色液壓系統的4號發動機油泵發生故障，飛控系統出現故障，飛機縫翼不起作用，副翼只能部分控制，擾流板控制效果減弱，起落架控制和指示系統出現問題，剎車系統出現問題，發動機防冰系統和空氣數據傳感器出現問題，燃油系統的空中應急放油系統出現故障，飛機重心不合理，自動推力控制和自動著陸系統不起作用，1號發動機與發電機斷開連接，左翼引氣系統漏氣，1 號和2 號交流電總線系統相關部件失效等。圖3～圖6示出某些部位受損情況。由四臺發動機啟動到2發中壓渦輪輪盤破裂，斷片甩出發動機歷時15min37s。
隨後，飛機折返回新加坡樟宜機場，在回程準備降落過程中，機組人員注意到以下問題：只有3號發動機的反推力裝置可以使用，1號4號發動機只能工作於低工況下，所有前緣縫翼均失去控制，副翼和擾流板的使用也受到了限制，只有主起落架的防滑剎車系統可以控制，機頭前機輪轉向受到限制。ECAM 系統還提示，在前機輪著陸之前，飛機無法實現最大程度的剎車制動，這有可能導致著陸過程中飛機衝出跑道。由於飛機空中應急放油系統失效，飛機油箱中的油量較多，飛機著陸的總重比規定值高出約40t等。機組人員用1、4號發動機維持飛機的左右推力對稱，著陸後只能用3號發動機的反推力裝置來減小飛機速度。在機組人員精心操作下，將損壞嚴重、難於控制的飛機終於在起飛後109min，在距機場跑道（跑道長4000m）盡頭150m處安全停住，機上包括機組人員共466人無1人傷亡，創造了航空史上的一個奇蹟。
此時，左翼油箱仍然向下漏油，而主起落架的溫度己升至9000C以上，為避免下漏的燃油碰到灼熱的起落架引發火災，地面救火隊員應機組人員要求立即向漏油處噴灑了泡沫滅火劑，當飛機上所有乘客下飛機後，1號發動機繼續運轉著，機組人員採用各種能想到的方法，仍無法將該發動機停車，後來由消防人員向發動機進口處噴入大量水，也未能使發動機停車，原來遄達900發動機有遇大雨時不會使發動機熄火的措施，最後由消防人員向發動機進口噴泡沫滅火劑才將發動機停車（圖7），此時已是飛機著陸後的3h，這種長時間內不能將發動機停車的現象，也屬罕見。
圖7 消防隊員向1號發動機噴入大量泡沫滅火劑才使發動機停車
在遭受此次重大故障後，澳航停飛該公司所有的其餘5架A380，直到三周後才恢復飛行。受損的A380在新加坡進行了大修，經過18個月耗資1.39億美元，於2012年4月修好。由修理時間之長與耗資之大，可以看出該飛機承受了難以置信的嚴重損壞，也是民航史上少有的飛機嚴重受損但無人員傷亡的事件。
受損飛機型號為A380-842， 生產序列號為0014，註冊號為VH-OQA，2008年出廠，同年9月投入運營，己積累工作時數為8 533.02h、循環數為1 843，最大起飛總重569 000kg，出事時的實際起飛總重為464 040kg， 最大著陸重量應為391 000kg，出事時的實際著陸重量量為431 712 kg，比規定值高出40 712kg。
故障發動機為英國羅.羅公司生產的遄達900發動機，具體型號為遄達972-84，序列號ESN為91045，其起飛推力為341.4kN。此發動機於2006年6月出廠，最初裝於受損飛機VH-OQA的4發位置上，於2008年9月18日投入航線運營。2009年9月，在發動機工作3 418h與416循環後，發現滑油中出現金屬屑末，發動機從飛機上卸下送回工廠檢修，返修的發動機於2010年2月24日重新裝到VH-OQA飛機上，但位置改到2發處，直到出此次嚴重故障時，發動機總共工作了6 314h、677循環，也即翻修後發動機工作了2896h、261循環。
遄達900為羅.羅公司遄達系列中第4型發動機，由單級風扇、8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、單級高壓渦輪、單級中壓渦輪與6級低壓渦輪組成（圖8），發動機涵道比為8.7-8.5，總壓比為37-39，起飛推力為334-374kN。
遄達900發動機高/中壓渦輪轉子支承方式採用了羅.羅公司RB211/遄達系列發動機傳統的渦輪間承力框架設計，如圖9所示。高壓渦輪後軸承與中壓渦輪軸承並列裝在承力框架中心的軸承腔中，軸承腔由內轂與外轂包住，在軸承腔內轂前端焊有滑油短管（圖12），用以與滑油進油導管相連；中壓渦輪輪盤盤心處向後做有帶內安裝邊的承力環，輪盤通過承力環的內安裝邊與中壓傳動軸相連，用多個螺栓緊固，在螺栓孔外有一圈通氣孔A。
在QF32的A380出事後， 在印度尼西亞的巴淡島上找到了破裂的發動機中壓渦輪盤的殘骸，如圖10所示，該斷塊約為整個輪盤的43%，重約70kg。圖11示出斷口斷面，斷面上無疲勞痕跡，但顯示出輪緣和輪心發生了周向形變， 說明曾經受到了極大的離心力，斷裂面顯示了輪心位置的載荷超過了設計極限，並且斷裂是從輪心向輪緣的方向發展的，其形貌與進行輪盤超轉破壞試驗中輪盤破裂後的斷口相像。輪盤平均徑向伸長約19mm，樅樹型榫槽開口處較設計值擴大了0.3-0.6mm。另外，由圖11中左右兩圖比較來看，輪盤盤心向後帶內安裝邊的承力環帶的安裝邊，原來是向內翻邊的（圖11左圖），已變成向外的翻邊（圖11右圖），這些都說明該中壓渦輪盤是在大於設計轉速較多的轉速下運轉時爆裂的。因此，輪盤的爆裂是由於別的原因造成的，它是受害者。
對發生故障的發動機分解檢查發現，滑油短管安裝凸邊與內轂安裝座連接處（即圖12中「斷裂處」）斷裂，斷口見圖13。對斷裂的滑油短管斷口處進行分析，發現斷裂處有明顯的疲勞條帶（在90°範圍內），其斷口屬於典型的疲勞斷裂（圖13中「草莓色疲勞斷口」），緊靠此處的藍色區域為典型的過大應力的斷口。另外，對短管的尺寸進行測量，發現此短管加工時，未能保證管子外壁與內孔同心，造成管壁沿圓周壁厚不一致，最厚處為1.42mm，最薄處僅為0.35mm，比設計值小0.56mm（管壁厚度設計值為0.91mm），形成強度較低的局部薄弱區（圖12中示出了滑油短管壁厚不均的情況）。在發動機不斷開車、停車中，由於在薄弱區存在的某些因素， 例如有劃痕或毛刺等，出現了初始裂紋，在繼續工作中，裂紋逐漸發展最後導致疲勞斷裂。根據羅.羅公司的分析計算，按設計，該短管的疲勞壽命為159 378飛行循環，但在加工中內外管壁不同心最薄處的疲勞壽命僅為677飛行循環，該發動機正是在第667次飛行中爆破的，說明羅.羅公司的分析計算工作還是較符合實際的。
滑油短管一旦斷裂，滑油外漏，漏出的滑油在高溫作用下會自燃，滑油燃燒的高溫氣體向後竄流，流到中壓渦輪輪盤與中壓傳動軸連接處，輪盤承力環在高溫燃氣的作用下，失去強度，安裝邊在通氣孔A（參見圖9）處斷裂，斷開了與傳動軸的連接，中壓渦輪失去負荷，在高壓渦輪後的燃氣作用下，轉速急速增加進入飛轉狀態，輪盤在極大的離心力作用下爆裂，破裂成三個斷塊擊穿渦輪機匣甩離發動機，向三個方向擊向飛機不同部位，如圖14所示，造成飛機嚴重受損。因此，滑油短管加工不到位形成偏心，造成局部管壁厚度過小，加上檢驗未能發現加工中的失誤，是造成澳航QF32航班A380嚴重受損的原因。
滑油短管的裂紋逐漸發展，在中壓渦輪輪盤爆裂甩出發動機前60s，裂紋擴大到滑油能由裂紋縫隙中流出，在滑油壓力的作用下，形成滑油油霧噴到緩衝腔中，如圖15所示。羅.羅公司設計表明緩衝腔中的溫度為365-375℃，而遄達900使用的合成滑油自燃溫度低於280℃，因此噴出的滑油油霧自燃，且滑油不斷地由裂隙中流出，因此在緩衝腔中形成連續的燃燒，如圖16所示。
滑油在緩衝腔燃燒，燃燒形成的高溫使高壓渦輪輪盤後內封嚴件R（圖9）嚴重變形，且靜子部分與轉動部分相互碰撞並糾纏在一起，使封嚴件完全失效，圖17示出該封嚴件正常狀態與損壞狀態的對比圖。由於此封嚴件損壞造成高壓轉子平衡被破壞，高壓轉子振動加大，破壞了高壓渦輪後外封嚴件，使高壓渦輪後的高溫燃氣由破壞了的外封嚴件向內竄流，如圖18中紅箭頭所示。此股燃氣流到緩衝腔後，與滑油燃燒的高溫燃氣一併由軸承腔內、外轂間環形腔向後流。
圖18 高壓渦輪輪盤內封嚴件損壞並引起外封嚴件損壞高壓渦輪後燃氣向內竄流
高壓渦輪後的高溫燃氣將滑油燃燒的高溫燃氣沿軸承腔的內、外轂間的環形腔推向後流，使中壓渦輪後的封嚴件M（圖9）受熱膨脹，靜、轉子間相互碰磨導致封嚴件失效，高溫燃氣由損壞的封嚴件流出，直接與輪盤的承力環相接觸，使承力環在大於1125℃高溫的作用下強度大為降低，在承力環最薄弱處即內安邊通氣孔處斷裂，導致中壓渦輪輪盤與中壓傳動軸斷開，中壓渦輪輪盤在燃氣軸向力作用下向後移動，在盤緣與盤心兩處碰到低壓渦輪前擋板，參見圖19。
當中壓渦輪輪盤與中壓傳動軸斷開後，中壓渦輪失去負荷，但燃燒室仍在工作，由高壓渦輪後流出的高溫燃氣流向中壓渦輪，使中壓渦輪轉速不斷增加，超過設計極限轉速後，還繼續加速，達到飛轉狀態，在極大的離心力作用下，全部工作葉片甩出輪盤，輪盤爆裂成3個扇形斷塊擊穿渦輪機匣（圖20）由3個方向甩出發動機並擊中飛機相應部位（參見圖14），造成遄達900發動機中壓渦輪非包容故障嚴重損壞澳航QF32航班A380的重大事件。圖21示出輪盤爆裂成三塊的示意圖，其中A斷塊墜落在印尼的巴淡島上。由中壓渦輪輪盤與中壓傳動軸斷開到輪盤爆裂斷塊擊穿機匣甩出發動機歷時4s。
當輪盤斷塊擊穿機匣甩出發動機後，高壓轉子轉速降低了40%，高壓壓氣機出口空氣壓力也降低較多，由於甩出發動機的斷塊打斷了用於傳輸數據的導線束，此後無數據傳出。
當輪盤斷塊擊穿機匣後，圍繞中壓渦輪輪盤的腔室內的壓力降至大氣壓，而軸承腔內、外轂間的環形腔內是由高壓渦輪後竄入的燃氣，壓力較高，即軸承腔外轂內的壓力高於外轂外的壓力較多，外轂失穩爆裂，一大塊斷片甩離外轂，如圖20中所示。
由圖20還能看出，輪盤承力環的內安裝邊已在大的離心力作用下變成向上翻了。
輪盤爆裂斷塊擊穿機匣甩離發動機27s後，ECAM顯示2號發動機渦輪超溫，駕駛員將該發動機油門拉到慢車狀態，15s後駕駛員又緩緩地推油門，記錄儀中記錄的數據表明，發動機對推油門有反映，反映在高壓轉子轉速Nh與高壓壓氣機後壓力P30均在加大，表明發動機在中壓渦輪轉子爆裂、斷塊擊穿機匣甩出發動機後仍然在工作，且Nh與P30一直在增大，直到27s後發動機重新喘振，2s後駕駛員將發動機關車。從滑油短管漏油引起滑油自燃到發動機停車共歷時3min14s。
如果在遄達900發動機中，設置有防止中壓渦輪轉子飛轉的設施，則不會發生此次對A380造成極大危害的故障。
在現有的渦扇發動機中，絕大多數發動機均設有防止低壓轉子飛轉的設施，它是當低壓軸一旦折斷時，立即將輸入到燃燒室的燃油總管的燃油洩出，使燃油不能進入燃燒室的噴嘴，燃燒不能繼續進行，當然就不會有高溫高能量的燃氣噴向低壓渦輪工作葉片，低壓渦輪轉子當然不會繼續轉動，更不會飛轉。但是，在現有的發動機中，高壓轉子與中壓轉子均不裝這種設備，這是因為很少有發動機出現高/中壓轉子軸折斷事件。而在低壓轉子中易出現斷軸事件，這是由於低壓軸轉速低，在傳遞同樣功率下，承受的扭矩大；再加上低壓軸比高/中壓軸細，軸上承受的剪切應力大；另外，風扇處於發動機最前方，有時會吸入大鳥或輪胎殘片等，卡在風扇葉片與出口導葉間，形成阻力，易造成低壓轉子的軸斷裂，因此需安裝防止低壓轉子飛轉的設施。
在出現此次故障後，羅·羅公司已對遄達900與遄達1000發動機FADEC的軟體進行了更新，確保在中壓傳動軸折斷時，中壓渦輪轉子不會超轉。
澳大利亞運輸安全局(ATSB)關於澳航QF32航班A380客機嚴重受損事件的調查最終報告指出，羅.羅公司錯過了幾次可以消除造成這次事件的機會，例如生產滑油短管的位於諾丁汗的漢克耐爾工廠，早在QF32發生嚴重危及飛行安全的事件前三年，即2007年工廠已發現生產的滑油短管不符合設計要求，羅.羅公司的一份初始調查對採用這些不符合設計要求的產品對以後使用時會帶來什麼問題還不太了解，因此未作處理。2009年公司的一位工程師提出採用這個有缺陷組件會造成潛在危害的意見，但是羅.羅又一次錯過了這個機會，沒有認真對這個意見進行研究，因此仍然讓這個有製造缺陷的組件，繼續留在航線運營的A380發動機中。ATSB的報告還指出漢克耐爾工廠存在文化缺陷，反映在對生產中有所謂的小缺陷的零件是否要報告存在懷疑，另外，產品生產過程中的記錄文件保管不善有丟失現象，因此，有一批生產超差的滑油短管裝到遄達900發動機並投入了運營，直到QF32航班出事後才被揭露出來，為此，澳航的6架A380停運了3周。2011年5月，羅.羅公司在全部A380機隊中拆下了53臺遄達900發動機，其中11臺是由於滑油短管加工超差，42臺是由於缺少滑油短管的加工記錄。
羅.羅公司完全接受ATSB的意見，除加強了對漢克耐爾工廠的質量管理系統外，還在全公司的技術人員，生產工人，質管人員中對從這次嚴重故障中得得到的深刻教訓進行學習，以避免類似的問題再次發生。
2011年，羅.羅公司同意支付9 500萬美元給澳航，作為由於遄達900發生的中壓渦輪非包容故障給澳航帶來重大經濟損失的賠償。
羅.羅公司是世界三大著名發動機公司之一，而遄達900是繼承RB211繫到與遄達系列的基礎上發展的，發展歷程經歷了約半個世紀，應該說有極豐富的設計與生產經驗，嚴格的生產過程質量控制系統，但是卻出現了這次滑油短管加工嚴重超差且未被檢驗出來，最終造成嚴重損壞澳航QF32航班A380的事件。
滑油短管壁厚為0.91mm，加工後最薄處僅為0.35mm，最厚處達到1.42mm，是較為嚴重的短管內、外壁加工成偏心，估計用目視也能看出其缺陷，但在羅.羅公司的現代化工廠中競然生產出這樣嚴重超差的產品，而且未被後續的檢驗程序檢測出來，是嚴重的生產質量問題，其產生的後果真不堪設想。如果不是駕駛員的沉著冷靜、精心操作，全飛機466人的生命、466個幸福家庭就會毀於滑油短管管壁超差0.5mm的失誤中。
由此事件可以看出，即使是有悠久歷史，久負盛名，產品行銷全球的航空發動機研製企業，在產品的研製全過程中，一定耍在設計、加工、檢驗、裝配等過程中，精益求精地進行工作，不容許有任一細小的疏忽。
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