楊雪梅

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

0 前言

民用飛機(jī)旅客觀察窗透明件組件，包括內(nèi)外層玻璃和密封件是一種很重要的非金屬透明結(jié)構(gòu)，不僅須承受一定的載荷，還須透光，向飛機(jī)內(nèi)部提供采光。它對飛機(jī)的飛行安全和旅客旅途的舒適性起到至關(guān)重要的作用。

透明件組件由三部分裝配而成，分別是外層玻璃、內(nèi)層玻璃和密封件。內(nèi)、外層玻璃之間是空氣層，如圖1所示。目前絕大多數(shù)民用飛機(jī)均采用此種結(jié)構(gòu)［1］。

圖1 透明件組件的結(jié)構(gòu)示意圖

在這種結(jié)構(gòu)中，每一層玻璃都能承受客艙增壓載荷，屬于破損安全設(shè)計。兩層玻璃之間用成型的橡膠密封件沿周緣隔開，并在中間形成空氣層，同時橡膠密封件對兩層玻璃起到密封作用。中間空氣層的設(shè)計主要基于以下考慮：一是作為良好的隔音層和絕熱層；二是可以吸收撞擊能量；三是利用密封件的排水孔將艙內(nèi)的熱空氣引入中間空隙，以利于除霧，并讓外層玻璃首先承載。

在正常使用情況下，外層玻璃為主承力層，承受飛機(jī)飛行過程中的客艙增壓載荷，而內(nèi)層玻璃一般不承受增壓載荷。但是，當(dāng)外層玻璃意外損壞后內(nèi)層玻璃必須作為備用的受力構(gòu)件來承受增壓載荷，以保證飛機(jī)能夠繼續(xù)安全完成本次飛行［2］。

為了確保民用飛機(jī)的安全性，國產(chǎn)旅客觀察窗透明件組件從設(shè)計選材，到組件設(shè)計和制造工藝，必須向中國民用航空局（CAAC）充分表明其適航符合性，并得到CAAC的批準(zhǔn)，才能裝機(jī)使用。筆者對透明件組件的適航符合性驗證要求進(jìn)行分析。

1 適航規(guī)章的要求

CCAR 25－R4中適用于旅客觀察窗透明件組件的條款包括25.603和25.775，其中25.603是對材料的要求；25.775 則是對透明件組件的要求。這兩個條款的要求如下［3］：

1.1 CCAR§25.603 材料

其損壞可能對安全性產(chǎn)生不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

（1）建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；

（2）符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強(qiáng)度和其它性能；

（3）考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

(2)若G=Mp(n,m),n≥ 2,m ≥ 1.當(dāng)G/=M2(2,1)時,P?(G)連通分支個數(shù)k(P?(G))=p+1.當(dāng) G=M2(2,1)時,k(P?(G))=5;

1.2 CCAR§25.775 風(fēng)擋和窗戶

（1）內(nèi)層玻璃必須用非碎裂性材料制成。

（2）增壓飛機(jī)的風(fēng)擋和窗戶必須根據(jù)高空飛行的特殊因素設(shè)計，包括持續(xù)和循環(huán)增壓載荷的影響、所用材料的固有特性、溫度和溫差的影響。在裝置本身或有關(guān)系統(tǒng)中發(fā)生任何單個破損后，風(fēng)擋和窗戶玻璃必須能經(jīng)受座艙最大壓差載荷與臨界氣動壓力和溫度影響的聯(lián)合作用?？梢约俣ㄔ诔霈F(xiàn)（按第25.1523 條規(guī)定的）飛行機(jī)組易于發(fā)現(xiàn)的單個破損后，座艙壓差從最大值按相應(yīng)的使用限制下降，使飛機(jī)能以不大于4 500m 的座艙壓力高度繼續(xù)安全飛行。

2 材料的規(guī)范符合性驗證

2.1 定向有機(jī)玻璃

民用飛機(jī)旅客觀察窗透明件材料要求具有良好的光學(xué)性能、較好的抗裂紋擴(kuò)展性和抗銀紋性，以及較高的靜強(qiáng)度、質(zhì)量輕等。國際上主要民用飛機(jī)一般都采用定向拉伸的有機(jī)玻璃（PMMA）。這類有機(jī)玻璃應(yīng)滿足MIL－PRF－25690《單層抗裂紋擴(kuò)展改性丙烯酸酯塑料板和成型組件》B版。該標(biāo)準(zhǔn)的驗證考核試驗由美國海軍航空作戰(zhàn)中心飛機(jī)處（Naval Air Warfare Center Aircraft Division Patuxent River）負(fù)責(zé)。材料通過驗證考核后，美國海軍航空作戰(zhàn)中心飛機(jī)處將會向有機(jī)玻璃材料供應(yīng)商頒發(fā)MIL－PRF－25690 合格證，并納入QPL－25690－15目錄。納入QPL－25690－15目錄以后，該材料就可以直接使用于飛機(jī)旅客觀察窗透明件。目前 QPL－25690－15 目錄包括NORDAM、LLAMAS、SULLY、GKN 等國際著名觀察窗透明件制造商的有機(jī)玻璃材料［4］。

為了滿足民用飛機(jī)的使用要求，國產(chǎn)有機(jī)玻璃必須嚴(yán)格按照MIL－PRF－25690B的要求進(jìn)行規(guī)范符合性驗證。驗證方法為試驗室試驗。同時還需要開展批次穩(wěn)定性研究，積累設(shè)計用性能數(shù)據(jù)和疲勞性能數(shù)據(jù)，并最終獲得CAAC的批準(zhǔn)。

國內(nèi)錦西化工研究院研制的YB－DM－10有機(jī)玻璃，是對MIL－PRF－25690B 版研制的一類輕度交聯(lián)的定向拉伸丙烯酸酯板材。這也是迄今為止我國所有牌號的有機(jī)玻璃中綜合性能最好的一種。其抗裂紋性能優(yōu)異，耐熱性和耐久性均與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。經(jīng)過數(shù)十年的研制，YB－DM－10已批量化生產(chǎn)，并且在國內(nèi)其它型號飛機(jī)上使用，取得了成熟的經(jīng)驗。目前該牌號有機(jī)玻璃已在CAAC 適航審查代表的全程監(jiān)控下，嚴(yán)格按照MIL－PRF－25690B 版規(guī)范，完成了3 批次材料的規(guī)范符合性驗證試驗。其主要性能指標(biāo)測試結(jié)果，如表1所示。由表1可見：該牌號有機(jī)玻璃的主要性能指標(biāo)完全滿足MIL－PRF－25690B 版的要求，其中標(biāo)準(zhǔn)條件下的韌性K 因子遠(yuǎn)超過該標(biāo)準(zhǔn)的要求。另外，該牌號有機(jī)玻璃在海南大氣暴曬6個月后，韌性K 因子沒有降低，光學(xué)性能稍有降低。這說明YB－DM－10有機(jī)玻璃抗裂紋擴(kuò)展性能優(yōu)異，大氣老化性能比較穩(wěn)定，可用于民用飛機(jī)旅客觀察窗透明件的制造。

2.2 密封件用硅橡膠

旅客觀察窗的密封件采用無鹵阻燃型硅橡膠材料模壓成型。硅橡膠須具有良好的耐候性、低溫柔韌性，耐磷酸酯液壓油和潤滑油、耐壓縮永久變形，并滿足民用飛機(jī)溫度高度包線所規(guī)定的使用溫度要求。

3 透明件組件的試驗驗證分析

旅客觀察窗透明件組件不同于一般結(jié)構(gòu)件，須考慮不同透明件材料、制造、環(huán)境等對強(qiáng)度的影響，因此，采用試驗室試驗并輔以理論分析，以驗證結(jié)構(gòu)在極限載荷、破損安全載荷及疲勞載荷下滿足25.775條款的要求。在AC 25.775－1［5］通告中給出了25.775條款的試驗驗證方法。

表1 YB－DM－10有機(jī)玻璃的主要性能指標(biāo)

驗證試驗必須對以下試驗參數(shù)進(jìn)行確定。

（1）壓力載荷

按照AC 25.775－1，透明件組件適航符合性驗證試驗項目包括疲勞試驗、極限壓力試驗和破損安全試驗等。驗證試驗首先必須確定試驗的壓力載荷參數(shù)。按照AC 25.775－1，飛機(jī)旅客觀察窗透明件組件為破損安全設(shè)計。作為適航驗證單獨考核的組件，外層玻璃應(yīng)當(dāng)至少承受4 倍最大座艙壓差；內(nèi)層玻璃在外層玻璃失效后，應(yīng)至少承受2倍最大座艙壓差與臨界氣動力的聯(lián)合作用，以保證飛行安全。另外，透明件組件還必須能夠承受客艙循環(huán)增壓載荷的作用。

（2）溫度

聚甲基丙烯酸甲酯高分子材料是典型的黏彈性材料。它具有較好的耐低溫性能。低溫條件使得有機(jī)玻璃受到冷化作用，其強(qiáng)度和韌性得到提高；但溫度過低時，有機(jī)玻璃的脆性增加，由黏彈性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，因此，疲勞性能也會降低?/p>

民用飛機(jī)透明件組件承載時的艙外環(huán)境溫度范圍為－55℃～35℃。溫度對有機(jī)玻璃的靜態(tài)拉伸、彎曲和疲勞性能有很大的影響。經(jīng)驗表明：環(huán)境溫度每升高1℃，其拉伸強(qiáng)度降低0.196 MPa～0.392MPa［6］。

范金娟 等［7］研究定向有機(jī)玻璃在不同溫度下的拉伸斷裂行為，并探討定向有機(jī)玻璃拉伸行為與溫度的關(guān)系，如圖2所示。結(jié)果表明：隨溫度升高，定向有機(jī)玻璃的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量降低，斷裂伸長率增加，材料由剛而脆變得軟而韌。

圖2 定向有機(jī)玻璃拉伸性能曲線

中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所徐健 等［8］通過試驗研究了溫度（40℃、60℃、－25℃、－45℃）對有機(jī)玻璃的疲勞性能的影響。結(jié)果表明：溫度對有機(jī)玻璃的疲勞性能有相當(dāng)大的影響：在－25 ℃～60 ℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，有機(jī)玻璃的疲勞性能下降，降低幅度也比較大；在－45℃～－25℃范圍內(nèi)，隨溫度升高，有機(jī)玻璃的疲勞性能隨之增強(qiáng)?？梢?，有機(jī)玻璃隨著溫度的升高，其疲勞性能的變化機(jī)制很復(fù)雜，并非呈現(xiàn)單調(diào)變化的規(guī)律。透明件組件的疲勞驗證試驗必須考慮到這一點。

作為承力結(jié)構(gòu)件，透明件組件受到溫度和增壓載荷的聯(lián)合作用，因此，驗證試驗必須考慮溫度的影響。極限壓力和破損安全試驗為靜力試驗，可根據(jù)飛機(jī)的溫度／高度包線來確定透明件組件承載時的極限高溫和極限低溫，在極限高溫和極限低溫條件下各進(jìn)行一次驗證試驗。試驗結(jié)果合格，則認(rèn)為透明件組件可在該溫度區(qū)間承受極限壓力和破損安全載荷。

透明件組件的疲勞試驗需要加載的疲勞循環(huán)數(shù)可達(dá)數(shù)十萬次，試驗持續(xù)周期很長。在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)一次溫度的交變需要大約4～6h，同時須模擬溫度和載荷的交變，完成整個疲勞試驗的周期太長，無法實現(xiàn)。在極限高溫和極限低溫下對組件進(jìn)行長周期疲勞試驗也很困難，只能在室溫環(huán)境下進(jìn)行。

然而，只進(jìn)行組件室溫疲勞試驗的驗證是不充分的。極限高溫和極限低溫下透明件組件的疲勞性能，可通過這兩種溫度條件下材料級別的疲勞試驗結(jié)果加以修正。然而，即便采取這樣的驗證方法，驗證試驗的成本還是相當(dāng)高的。

（3）材料性能的分散性

不同于金屬材料，有機(jī)玻璃性能的分散性較大。驗證試驗參數(shù)的選取必須考慮到這一特點。咨詢通告AC 25.775－1中指出：極限壓力試驗和破損安全試驗可通過將載荷放大2倍，來覆蓋材料的分散性和制造不確定性等因素。

在疲勞試驗中，可通過增加疲勞循環(huán)次數(shù)覆蓋材料分散性及機(jī)身支持結(jié)構(gòu)對透明件疲勞壽命的影響，但是AC 25.775－1沒有給出這個分散系數(shù)的推薦值。這個分散系數(shù)須在試驗基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計方法確定。

然而，民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗需要加載的疲勞循環(huán)數(shù)很高，可達(dá)數(shù)十萬次。因此，完成整個試驗的周期很長，成本也非常高。這就決定了疲勞試驗的樣本量往往很小。目前國內(nèi)外廣泛采用分散系數(shù)法來確定疲勞試驗結(jié)果所代表的實際可使用的安全壽命。民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一般可認(rèn)為服從雙參數(shù)的威布爾分布。其分布函數(shù)為［9］

式中：α為形狀參數(shù)，β為特征壽命。

旅客觀察窗透明件組件的疲勞壽命也可參照該方法進(jìn)行處理。但前提是必須通過材料級別的長周期循環(huán)疲勞試驗來確定威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)α。試驗過程中應(yīng)考慮以下兩方面因素：一方面，影響有機(jī)玻璃板材疲勞壽命的因素很多，包括：環(huán)境溫度、試驗頻率、載荷波形、試樣粗糙度等。因此，須建立或選擇合理的試驗方法，對這些因素進(jìn)行精確控制以保證試驗結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。另一方面，材料級別的疲勞試驗的樣本量的確定，既要保證試驗結(jié)果的代表性，又要將試驗成本控制在合理的范圍內(nèi)。

根據(jù)有機(jī)玻璃的材料級別的疲勞試驗確定威布爾分布函數(shù)的形狀參數(shù)，即可計算給定應(yīng)力水平下具有95% 的置信度、95% 的可靠度的壽命N95／95。計算公式［10］如式（2）所示：

式中：ST為試件系數(shù)；SC為置信系數(shù)；SR為可靠 性系數(shù)。

4 結(jié)語

國產(chǎn)定向有機(jī)玻璃用于民用飛機(jī)旅客觀察窗透明件，須按照MIL－PRF－25690B 的要求進(jìn)行規(guī)范符合性驗證。透明件組件，包括內(nèi)外層玻璃和密封件應(yīng)通過極限壓力、破損安全及疲勞性能等適航符合性驗證試驗來表明其適航符合性；驗證試驗必須考慮壓力、溫度，以及有機(jī)玻璃疲勞性能的分散性等因素。

［1］徐軼辰.民用飛機(jī)舷窗透明件的設(shè)計與分析［J］.科技信息，2013，18：490－492.

［2］羅騰騰.關(guān)于某型飛機(jī)客艙舷窗組件設(shè)計的分析與研究［J］.民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2012，3：57－59.

［3］中國民用航空局.CCAR－25－R4運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)［S］.中國民用航空局，2011.

［4］季光明.大型商用飛機(jī)客艙舷窗有機(jī)玻璃應(yīng)用進(jìn)展［J］.世界橡膠工業(yè)，2012，39（6）：48－51.

［5］美國運輸部聯(lián)邦航空局.AC 25.775－1 風(fēng)擋和窗戶［S］.美國運輸部聯(lián)邦航空局，2003.

［6］有機(jī)玻璃疲勞和斷口圖譜編委會.有機(jī)玻璃疲勞和斷口圖譜［M］.北京：科學(xué)出版社，1987：11.

［7］范金娟，張衛(wèi)方，陳新文.定向有機(jī)玻璃的拉伸斷裂行為研究［J］.航空材料學(xué)報，2006，26（5）：106－108.

［8］徐健，王琦，蔣軍亮.溫度對座艙有機(jī)玻璃強(qiáng)度影響研究［J］.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，2007（2）：33－39.

［9］林富甲.結(jié)構(gòu)可靠性［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［10］李令芳.民機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷容限設(shè)計手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.