民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范淺析

陳 娟 蔡建麗
（中航通飛研究院有限公司， 廣東 珠海 519040）

簡述了國內(nèi)外民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范的應用與發(fā)展歷程，對比分析了國內(nèi)與國外在使用規(guī)范上存在的幾點差距，結(jié)合國內(nèi)復合材料的實際情況，提出了縮小與國外差距的幾點建議和措施。

民用飛機；復合材料；結(jié)構(gòu)設計；使用規(guī)范

先進復合材料具有獨特的可設計性、對環(huán)境因素的敏感性及破壞模式的多樣性等特點，其設計概念、方法與金屬結(jié)構(gòu)有一定的差異性, 因此復合材料結(jié)構(gòu)設計已成為現(xiàn)今復材界的熱點話題[1-5]。

先進復合材料主要應用于軍用及民用飛機上，而由于民用飛機的適航性要求，其對先進復合材料結(jié)構(gòu)設計要求更苛刻。國外民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計除了基于FAA發(fā)布的適航條款來指導設計外[6]，各大型航空公司還制定了詳細設計規(guī)范，而國內(nèi)民用飛機結(jié)構(gòu)設計并未形成詳盡的可以直接指導設計的使用規(guī)范，因此開展民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范的研究有一定的必要性。

本文對國內(nèi)外復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范進行了梳理與分析，結(jié)合型號研制的實際情況，對比國內(nèi)與國外結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范，并提出了國內(nèi)復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范的差距性，最后提出幾點減小差距的措施。

1 國內(nèi)外民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范

1.1 國外復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范

考慮到民用飛機的安全性和經(jīng)濟性，復合材料在民用飛機上的應用比軍用飛機要遲。20世紀70年代中期，由于能源危機迫使美國實施飛機能效計劃（ACEE），該計劃包括了復合材料飛機主承力結(jié)構(gòu)的研制。為了對所研制的復合材料結(jié)構(gòu)部件給出適用的適航審定方法，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）于1978年頒布了咨詢通報AC20-107復合材料飛機結(jié)構(gòu)[7]，這是第一個有關復合材料的規(guī)范文件。其不足之處在于對復合材料結(jié)構(gòu)的疲勞/損傷容限驗證內(nèi)容中，只是籠統(tǒng)地要求至少不低于同類金屬結(jié)構(gòu)的安全水平。波音727的升降舵、L-1011副翼和波音737水平安定面就是在它的指導下完成設計和適航審定的。經(jīng)過一段時間的實踐，并根據(jù)同一時間所獲得的軍機和民用飛機的設計和使用經(jīng)驗，F(xiàn)AA于1984年重新修訂了新的咨詢通報AC20-107A復合材料飛機結(jié)構(gòu)[8]。在該項文件中，首次明確提出對沖擊損傷的設計與驗證要求，損傷無擴展的設計概念，并強調(diào)了對濕熱影響的驗證等。迄今為止所有投入航線飛行的民用飛機復合材料部件的適航審定都是按照這一咨詢通報來執(zhí)行的。目前我國自行研制的支線客機ARJ21-700的復合材料部件的適航審定主要依據(jù)仍是AC20-107A[9-11]。

隨著復合材料在民用飛機結(jié)構(gòu)應用的增加，空客A380、A350和波音787機體主結(jié)構(gòu)大量使用復合材料，1984年FAA頒布的咨詢通報AC 20-107A復合材料結(jié)構(gòu)已無法滿足民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)適航審定的需求。在總結(jié)25年來民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)使用經(jīng)驗教訓的基礎上，并針對波音787復合材料機翼機身主結(jié)構(gòu)的認證提出的新問題，F(xiàn)AA于2009年9月8日修訂頒布了AC 20-107B復合材料結(jié)構(gòu)[12]。相比原來的版本，新版本對材料與制造、靜力、疲勞與損傷容限驗證等方面的要求更具可操作性；增加了持續(xù)適航的要求；提出了等同與替代材料和工藝兩種類型的變化，給出了不同的認證途徑，簡化和指導了制造商所需完成的任務；針對復合材料機身結(jié)構(gòu)，提出了適墜性的具體要求等。目前國內(nèi)在研的C919飛機復合材料結(jié)構(gòu)的國際適航符合性主要依據(jù)為AC20-107B。

1.2 國內(nèi)復合材料飛機結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范

國內(nèi)民用航空1985年正值新的管理體制初步醞釀形成的階段，當年的12月31日，中國民航總局發(fā)布了第一部適航標準，即中國民用航空條例第25部（CCAR-25）運輸類飛機適航標準。后經(jīng)4次修訂，最新版的CCAR-25-R4是在參照FAA AC20-107B的基礎上，并結(jié)合國內(nèi)民用飛機研制的具體情況上編制的[13]，是目前國內(nèi)民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計、驗證和通過適航審定必須嚴格遵守的適航條款。大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機（蛟龍600）將在CCAR-25-R4的指導下完成設計和適航審定工作。

1.3 國內(nèi)外差距

國外民用飛機復合材料規(guī)范是在總結(jié)使用經(jīng)驗教訓的基礎上取得的。這歸功于復合材料結(jié)構(gòu)40年來的應用技術(shù)和研發(fā)歷程，尤其是進入21世紀后，以波音787和空客A350為代表的大型民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)占全機結(jié)構(gòu)重量的50%以上，而國內(nèi)的復合材料的應用尚處初級水平，最新研制支線客機ARJ21-700復合材料結(jié)構(gòu)用量僅占全機結(jié)構(gòu)重量2%左右，最新研制的干線客機C919僅在尾翼和整流罩等部分應用復合材料，復合材料結(jié)構(gòu)用量在10%以內(nèi)。最新研制的大型滅火水陸兩棲飛機也僅在整流罩和部分舵面采用復合材料，用量在5%左右。因此認識復合材料的重要性，認清國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，提高復合材料結(jié)構(gòu)用量是國內(nèi)復合材料發(fā)展的方向。

國內(nèi)民用飛機復合材料規(guī)范基本上處于翻譯國外的規(guī)范，或者直接使用國外的設計規(guī)范指導設計的水平上。特別地，中國民用航空規(guī)章第25部CCAR-25運輸類飛機適航標準基本上就是翻譯美國FAR-25，其后一次次的修訂也是根據(jù)美國聯(lián)邦航空局對FAR-25發(fā)布的修正案而來。但值得肯定的是我國的適航標準與國外適航標準在安全水平上是一致的。此外，國外的航空公司都有詳盡的設計使用規(guī)范來指導設計，并且會持續(xù)更新修訂，以起到指南和規(guī)范的作用。典型的有MIL-HDBK-17的重新修訂，由FAA、NASA、軍方和工業(yè)界共同組織200多位專家重新修訂出版的。而國內(nèi)基本上沒有統(tǒng)一的復合材料使用規(guī)范，相應的航標和國標的更新也趕不上技術(shù)的發(fā)展進步。因此如何有組織的統(tǒng)一制定復合材料結(jié)構(gòu)設計相應規(guī)范，將國內(nèi)復合材料的結(jié)構(gòu)設計和鑒定文件化、規(guī)范化，使試驗和分析更好地結(jié)合起來，形成設計和鑒定的統(tǒng)一指南，編制全行業(yè)的技術(shù)標準，達到顯著改進最終產(chǎn)品的一致性，減小風險、降低成本的目的[14]，是復合材料設計目前要開展和解決的問題。

2 國內(nèi)主要研究方向

與國外相比，國內(nèi)的復合材料技術(shù)水平、應用規(guī)模均為起步階段，復合材料結(jié)構(gòu)設計思想偏于保守，可參考的標準規(guī)范很少，而且規(guī)范的制定過程主要依賴于經(jīng)驗和部分的試驗結(jié)果，還缺乏量化的輔助分析手段，具體的實施和操作性不佳。因此有必要采取一些措施來縮小差距，改變國內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1 提高復合材料的用量

國外的使用經(jīng)驗表明，民用飛機主結(jié)構(gòu)上使用復合材料不會降低飛機的安全性，甚至減少飛機全壽命成本，還能改善飛機的舒適性和環(huán)保性。可以根據(jù)我國目前復合材料技術(shù)發(fā)展，逐步提高復合材料用量，尾翼、前機身和機身尾段開始全面采用復合材料，有計劃地突破機翼、機身復合材料結(jié)構(gòu)設計關鍵問題，實現(xiàn)復合材料應用水平的跨越式發(fā)展。

2.2 重視數(shù)據(jù)積累

復合材料的制造成本高、周期長、性能測試難度大、費用昂貴。設計、制造和使用過程中獲得的每一個性能數(shù)據(jù)都彌足珍貴。因此建立長期的開放式的數(shù)據(jù)系統(tǒng)庫十分必要[14]。

2.3 注重技術(shù)積累

歐美航空工業(yè)發(fā)達國家十分注重技術(shù)的積累，并形成了一系列的標準規(guī)范，經(jīng)過幾十年的工程化發(fā)展，在復合材料設計、制造和試驗等方面形成了規(guī)范化、標準化的完善體系，進而保證了如波音787、空客A350等現(xiàn)代飛機的研制和生產(chǎn)，也為民用飛機設計、制造及適航認證等提供依據(jù)和指導。同時各大飛機公司還根據(jù)最新的技術(shù)和成果不斷修訂這些標準規(guī)范。國內(nèi)航空公司也編制了一些國標、航標和企業(yè)標準，也有飛機設計手冊等指導性標準規(guī)范，但相關的標準和規(guī)范還不盡完善，而且這些標準規(guī)范大多出版于上個世紀90年代，很多規(guī)范已無法滿足當今飛機設計要求，因此有必要制定統(tǒng)一的系列化的規(guī)范和指南，各航空公司還可根據(jù)具體情況制定本公司的規(guī)范文件，并且盡可能詳細而具有實施性，同時要持續(xù)修訂更新。

2.4 成果共享

在應用國外復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范時，應結(jié)合國內(nèi)復合材料設計中出現(xiàn)的問題和總結(jié)的經(jīng)驗不斷改進規(guī)范要求，對相同的問題，國內(nèi)同行應積極探討，共同尋求解決之道，成果共享，避免資源浪費和相似問題重復出現(xiàn)。

2.5 規(guī)范先行

時刻關注復合材料發(fā)展動向，如近期的低成本復合材料技術(shù)，在材料、制造工藝、設計和使用維護等幾方面如何降低復合材料全壽命成本的問題。同時要進行必要的研究，如復合材料的損傷容限問題，復合材料的破壞與失效機制問題。因此如何讓規(guī)范先行來指導設計，就需要在制定規(guī)范時全面系統(tǒng)認識問題、有效預測可能的問題，定量化評估復合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性，提前做好預防措施。

3 結(jié)束語

復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范的發(fā)展，為復合材料結(jié)構(gòu)設計技術(shù)提供一定的基礎。本文通過對國外民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范的應用與發(fā)展的介紹和國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀的分析，提出為滿足國內(nèi)復合材料結(jié)構(gòu)設計要求，應對國內(nèi)復合材料結(jié)構(gòu)設計技術(shù)形成比較系統(tǒng)和清醒的認識，并在參考借鑒國外設計使用規(guī)范的基礎上，總結(jié)國內(nèi)型號研制設計和使用經(jīng)驗，開展復合材料結(jié)構(gòu)設計研究工作，進一步豐富和完善國內(nèi)復合材料結(jié)構(gòu)設計使用規(guī)范。

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（編輯：雨晴）

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