危机关头，大发如何当机力断
比如，飞鸟虽然可爱，但如果出现在机场附近就很危险。保不齐有没睡醒的飞鸟，正揉眼睛呢，就稀里糊涂地撞上了迎面飞速而来的发动机。由于发动机风扇叶片大而薄，且高速旋转，飞鸟的“血肉之躯”很可能将风扇叶片撞裂或撞断。所谓的FBO（Fan Blade Off）事件就是这么发生的。
为保证飞机在FBO事件引起的巨大不平衡载荷作用下安全着陆，大型商用航空发动机都采用了熔断设计（Fuse Design）。
通过有目的地将发动机中某些部件设计为牺牲单元（sacrificialelements），使其在FBO载荷下失效，不仅可以改变传力路径，使FBO载荷重新分布，减少传递到关键部件的不平衡载荷，保护发动机的安全，还可以减少传力路径上零部件的重量，提高发动机的工作效率。
什么是熔断设计
提到熔断设计，是不是感觉很亲切？这是因为我们日常生活中处处都有熔断设计。最常见的，小时候家里的保险丝、现在家里的电闸，相信大家都很熟悉。熔断的概念起源于电气设计。它是指在电路中串联一个最薄弱的发热元件（熔丝fuselink），当短路电流或过负荷电流通过时，熔丝自身熔断，切断电路以达到保护的目的。仔细想想，这和壁虎断尾有异曲同工之妙。小壁虎遇到敌人的时候，会切断自己的尾巴。断掉的尾巴继续摆动，迷惑敌人，从而掩护小壁虎自己逃之夭夭。这断掉的尾巴就类似于熔断设计中的熔断部件（牺牲单元）。
随着认识和设计思路的提升，主动利用型的熔断设计也被广泛采用。所谓主动利用型熔断设计，是指在结构上预留一些缺陷，使其在外力作用下按照预设的方式破坏，以满足需求。这一类型的熔断设计常见于生活用品，例如食品外包装上预留的缺口、一次性筷子上的裂纹等，如下图所示。
▲ 日常生活中常见的熔断设计（图片来自于网络）
除了具体结构的设计，熔断已经发展成为一种危机处理机制，应用于金融等领域。前不久，沪深交易所和中金所就引入指数熔断机制公开征求意见，具体熔断机制为：当沪深300指数日涨跌幅达5%时，股票、股票期权和指数期货等交易将暂停30分钟；14：30及之后触发5%熔断阀值，以及全天任何时段触发7%阀值的，暂停交易至收市。希望采用熔断机制后，股市再也不会暴跌啦！
讲了那么多，所谓熔断，一言以蔽之就是，当事物遇到重大危机时，熔断部件会按照预设的模式失效，以保护主体的安全。通俗的讲，就是设计熔断部件这个“小我”，让它在危难关头“牺牲小我，保全大我”。所以说，熔断部件算得上是名副其实的“危机公关小能手”。
FBO是个什么东东
对于当前商用飞机上常用的大涵道比涡扇发动机，其风扇叶片半径长、质量大，FBO事件会导致风扇的重心线与发动机的中心线不对中，引起巨大的不平衡载荷。由于轴承沿径向约束风扇轴，故FBO不平衡载荷主要通过风扇轴承（1号轴承和2号轴承）及其支承结构传递到中介机匣上，并进一步传递到安装节甚至飞机上。
对于商用航空发动机，必须保证FBO事件的发生不会导致飞机出现灾难性事故，如发动机脱落、断叶击穿机舱等，同时要保证发动机安装节不出现故障。
发生FBO事件后，应对受损的发动机进行停车操作，使发动机转速下降，进而在前行中所受气流的推动下发生风车转动，直到具备降落条件时减速安全着陆。
FBO事件发生后，受损的发动机应在15秒内从较高的工作转速降低到风车转速，并在风车转速阶段持续很长时间（有时超过180分钟），才进入着陆阶段。在转速下降阶段，发动机转速快、不平衡载荷大，更容易发生关键部件的损坏，因而熔断设计主要针对这个阶段开展。
航空发动机熔断技术
FBO事件引起的不平衡载荷主要通过风扇轴承和轴承座传递到中介机匣以及安装节等部件，由风扇轴承（如下图所示的1号轴承和2号轴承）、轴承座和中介机匣等部件承担。因此，风扇轴承和轴承座是FBO不平衡载荷从风扇向发动机其它部件甚至飞机传递的重要途径。
▲ 风扇转子结构示意图（图片来自于网络）
对于大多数商用航空发动机，为减小FBO不平衡载荷引起的破坏，会在1号轴承或其支承结构附近进行结构熔断设计，即首要失效（Primaryfuse）设计，将风扇与中介机匣解耦，减少从风扇传递到中介机匣的不平衡载荷；此外，有些发动机还在2号轴承位置进行熔断设计，即次要熔断（Secondaryfuse）设计，以局部释放2号轴承的俯仰刚度，避免首要熔断发生后低压转轴在2号轴承位置产生局部弯曲应力集中；此外，还有许多发动机致力于对首要熔断或次要熔断设计后的结构进行改进，如弹性支承结构、挤压油膜阻尼器等。
Primary Fuse）
常见的首要熔断设计主要包括1号轴承座失效结构和1号轴承支承锥壁失效结构两类。
如下图所示，普惠公司的PW6000发动机在1号轴承支承锥壁上采用了失效螺栓，其机理是：当FBO事件发生后，失效螺栓在不平衡载荷作用下断裂，将低压转子与中介机匣解耦。
这样一方面能够改变低压转子与中介机匣间不平衡力的传递路径，减少从风扇传递到相邻关键部件的不平衡力，避免中介机匣及安装节等关键部件因承受过大不平衡载荷而破坏；另一方面会将风扇转轴在1号轴承位置的约束释放，使1号轴承处的支承刚度减小，风扇转轴由失效前的两端简支状态变为近似悬臂梁状态。这会使低压转子的临界转速降低，显著降低风扇转子的绕轨运动和不平衡载荷。首要熔断部件失效后，发动机在FBO事件发生后的停车减速过程中，将以低速穿越临界转速，峰值载荷降低。
▲ PW6000发动机熔断设计示意图（图片来自于网络）
Secondary Fuse）
1号轴承附近的首要熔断部件失效会使风扇转子发生俯仰变形，对邻近的2号轴承产生巨大的不平衡力矩。这会导致风扇转轴在2号轴承处产生较大的局部弯曲变形和应力集中。为释放该弯曲应力，避免风扇转轴被破坏，需要降低或释放低压转轴在2号轴承处的径向和俯仰刚度。因此，许多商用航空发动机在2号轴承处进行了次要熔断设计，如GE公司的GE90、GEnx等系列发动机。
下图为GE90-115B发动机前部分的结构图，它的熔断设计方案为：在1号轴承锥壁上采用了减薄段，在风扇轴与2号轴承支承座间采用了止推环。当然，2号轴承处的次要熔断设计还有其它形式，如GEnx发动机在风扇轴与2号轴承支承座间使用了熔断销钉。当FBO事件发生后，次要熔断设计（止推环/剪切销钉）失效，使风扇轴与2号轴承支座间形成关节轴承，可以在一定范围内相对运动。
▲ GE90-115B发动机熔断设计（图片来自于网络）
需要注意的是，次要熔断设计不能使2号轴承完全失效，否则低压转子在2号轴承处失去径向支承，会与高压转子产生碰磨，并使风车转动阶段振动增大。在2号轴承附近进行次要熔断设计时，应使2号轴承在次要熔断部件失效后仍具有适当的刚度来支承低压转子，使其在次要熔断发生后临界转速仍高于着陆过程中的风车转速，并具有适当的裕度，以免发生共振。
罗罗公司Trent500发动机所采用的具有熔断设计的弹性支承结构如下图所示。弹性支承在FBO事件后部分破坏，能够降低支承结构的刚度，但又不完全失去支承，从而使低压转子的临界转速降低但仍高于风车转速。
▲ 有熔断设计的弹性支承结构（图片来自于网络）
具有熔断设计的挤压油膜阻尼器如下图所示，当转子系统正常工作时，该轴承阻尼结构中的轴承与轴承座间不发生相对位移；当转子系统由于FBO事件承受不平衡载荷时，轴承与轴承座可以发生相对位移，阻止轴承进一步沿径向移动，从而限制低压转子的振幅。
这样的设计一方面能够吸收风扇转子在风车转速阶段的振动能量，减少不平衡载荷；另一方面可以调节风扇转子的临界转速，使其高于风车转速。
▲ 具有熔断设计的挤压油膜阻尼器（图片来自于网络）
此外还有一些为应对FBO事件而改进的结构设计，包括倾斜2号轴承支承锥壁、风扇轴颈部分采用易屈曲材料等。联合技术公司GP7000发动机在2号轴承处采用倾斜的轴承支承锥壁，如下图所示。
当1号轴承支承锥壁失效后，风扇转子系统由简支结构变为近似悬臂梁结构。使2号轴承的支承锥壁倾斜可以增大1号轴承与2号轴承间的有效距离，相当于增大了悬臂梁结构的长度，进一步降低风扇转子的临界转速。
▲ GP7000发动机2号轴承倾斜锥壁（图片来自于网络）
结语
航空发动机FBO事件熔断设计是一个必须破解的难题，是一项复杂而系统的工程，需要全面了解发动机中各部件在FBO事件中的受力情况，进而对传力路径上的非关键部件进行相关设计，以保证飞行安全。
▲ 作者：赵芝梅