陳兆晨 郭 婧

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002 ）

旋翼航空器材料適航條款研究

陳兆晨 郭 婧

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002 ）

基于對(duì)旋翼航空器材料適航條款的分析，詮釋了該條款的技術(shù)內(nèi)涵，列舉了符合性驗(yàn)證方法，為從事旋翼航空器設(shè)計(jì)和適航審定的人員提供技術(shù)參考。

適航； 旋翼航空器； 材料； 條款分析

民用航空器型號(hào)合格審定的過(guò)程就是表明航空器對(duì)審定基礎(chǔ)符合性的過(guò)程[1]。本文對(duì)CAAC（中國(guó)民航局）和FAA（美國(guó)聯(lián)邦航空局）適航條例CCAR/FAR27《正常類旋翼航空器適航規(guī)章》和CCAR/FAR29《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)章》中的§27/29.603“材料”和§27/29.613“材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值”條款的符合性驗(yàn)證要求及符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行分析研究，為工程技術(shù)人員提供該條款符合性驗(yàn)證的方法和思路。

1 適航條款的歷史發(fā)展與內(nèi)容

1.1 歷史發(fā)展

FAA于1964 年11月24日頒布的首版FAR27主要來(lái)源于美國(guó)民用航空委員會(huì)在1956年12月頒布的民用航空規(guī)章CAR Part 6《Rotorcraft Airworthiness-Normal Category》。其后FAA對(duì)FAR27部中材料適航條款27.603和27.613分別有2次修訂，見表1。

表1 FAR27材料適航條款修訂歷程

FAR29與FAR27首版同時(shí)頒布，該規(guī)章來(lái)源于美國(guó)民用航空委員會(huì)在1956年8月頒布的民用航空規(guī)章CAR Part7《Rotorcraft Airworthiness-Transport Categories》。其后FAA對(duì)FAR29部中材料適航條款29.603和29.613分別有2次修訂，見表2。

表2 FAR29材料適航條款修訂歷程

CAAC所頒布的航空器適航規(guī)章體系主要是以FAA適航規(guī)章體系為藍(lán)本加以翻譯后頒布實(shí)施，并對(duì)FAA適航規(guī)章的變化進(jìn)行跟進(jìn)。目前，CAAC頒布的旋翼類航空器適航規(guī)章包括CCAR27《一般類旋翼航空器適航標(biāo)準(zhǔn)》和 CCAR29《運(yùn)輸類旋翼航空器適航標(biāo)準(zhǔn)》，該兩部規(guī)章于1988年4月21日首次發(fā)布實(shí)施，分別對(duì)應(yīng)FAR27的27-21號(hào)修正案和FAR29的29-24號(hào)修正案。從1988年4月至今，F(xiàn)AA又發(fā)布了FAR27的第27-22至27-47共26個(gè)修正案，F(xiàn)AR27的第29-25至29-55共31個(gè)修正案。

CAAC于2002年7月2日對(duì)兩部規(guī)章進(jìn)行了第一次修訂，新修訂的CCAR27-R1《正常類旋翼航空器適航規(guī)章》相當(dāng)于FAR27第27-40修正案。CCAR29-R1《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)章》相當(dāng)于FAR29第29-47修正案。

相對(duì)于CCAR27《一般類旋翼航空器適航標(biāo)準(zhǔn)》，CCAR27-R1參考FAR相關(guān)修正案進(jìn)行修訂，第 27.613條“材料強(qiáng)度特性和設(shè)計(jì)值”為修訂條款，修改（b）、（d）款，新增（e）款。（b）款增加了明確的概率標(biāo)準(zhǔn)。（e）款規(guī)定了材料特選法，即由選擇的個(gè)別項(xiàng)目的強(qiáng)度試驗(yàn)而不是進(jìn)行抽樣試驗(yàn)得到普通材料強(qiáng)度性能。該方法對(duì)每個(gè)項(xiàng)目（部件）在允許其使用之前對(duì)其采樣以確定其性能。此方法僅適用于那些具備可供取樣的區(qū)域并且能取得試樣而不會(huì)遭到破壞的零部件。對(duì)于這類特選材料制成的零部件的旋翼航空器型號(hào)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在提交審定時(shí)應(yīng)有必要的資料，如最小可允許強(qiáng)度。相對(duì)于CCAR-29《運(yùn)輸類旋翼航空器適航標(biāo)準(zhǔn)》，CCAR-29-R1參考FAR相關(guān)修正案進(jìn)行修訂，第29.613條“材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值”為修訂條款，在（b）中增加對(duì)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的概率和對(duì)應(yīng)的置信度數(shù)值，增加了結(jié)構(gòu)的可靠性。

1.2 條款內(nèi)容

目前，中美兩國(guó)適航當(dāng)局所發(fā)布的運(yùn)輸類和正常類旋翼航空器適航規(guī)定對(duì)材料的要求是一致的。主要條款內(nèi)容如下：

第27/29.603 條 材料

其損壞可能對(duì)安全有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：

● 建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上；

● 符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中所采用的強(qiáng)度和其它特性；

● 考慮使用中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

第27/29.613條 材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值

● 材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的符合標(biāo)準(zhǔn)的材料試驗(yàn)為依據(jù)，在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上制定設(shè)計(jì)值；

● 設(shè)計(jì)值的選擇必須使任何結(jié)構(gòu)因材料變化而破壞的概率極小。除本條（d）和（e）所規(guī)定的以外，必須通過(guò)選取保證具有下述概率引起的設(shè)計(jì)值來(lái)表明本款的符合性：

對(duì)所施加載荷最終分布于某部件中的單個(gè)元件的情況，若該元件的破壞將導(dǎo)致部件結(jié)構(gòu)完整性的喪失，則應(yīng)保證99%的概率及95%的置信度；

對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，若單個(gè)元件的破壞將導(dǎo)致所施加的載荷安全地分配到其它承載元件上，則應(yīng)保證90%的概率及95%的置信度。

● 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造，必須使災(zāi)難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應(yīng)力集中處；

● 設(shè)計(jì)值必須是經(jīng)民航總局認(rèn)可的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航總局批準(zhǔn)的其他數(shù)值；

● 如果在使用前對(duì)每個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目取一個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)從而對(duì)材料加以選擇，并確定該特定項(xiàng)目的真實(shí)強(qiáng)度特性達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)中使用的數(shù)值，則可采用其它設(shè)計(jì)值。

2 旋翼航空器適航規(guī)章材料適航條款的解析

2.1 材料適航條款的理解

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）在旋翼類航空器規(guī)章（FAR27/FAR29）的基礎(chǔ)上，分別制定了咨詢通告文件AC27-1B《正常類旋翼航空器適航審定》和AC29-2C《運(yùn)輸類旋翼航空器適航審定》，以便使適航審定人員和申請(qǐng)人更好的理解條款內(nèi)容，并準(zhǔn)確地表明其符合性。根據(jù)咨詢通告文件指導(dǎo)和型號(hào)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)適航條款內(nèi)容理解如下。

2.1.1 對(duì)27/29.603條款的理解

條款中“零件”特指“其損壞可能對(duì)安全有不利影響”的零件。這些零件包括結(jié)構(gòu)零件和失效后可能危及直升機(jī)安全的零件，如油箱密封件、防火墻等。那些即便失效也對(duì)安全沒有不利影響的零件不屬于條款限定的零件范圍；

材料的 “適用性”指材料抵抗與其服役環(huán)境條件破壞作用的能力。包括：材料力學(xué)性能對(duì)零件的適用性（對(duì)于結(jié)構(gòu)零件用材料）；材料功能（如導(dǎo)電、隔熱、透波等）對(duì)材料的適用性；材料對(duì)零件制造過(guò)程的適用性，如鋼的淬透性和樹脂流動(dòng)性等。材料的“耐久性”是指材料抵抗預(yù)期環(huán)境條件長(zhǎng)期破壞作用的能力。

其中，服役環(huán)境條件包括應(yīng)力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等使材料性能隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰退的環(huán)境因素。

27/29.603條款要求零件所用材料的適用性和耐久性的確定必須基于試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)。 “經(jīng)驗(yàn)”是指相同材料用于已經(jīng)取證并成功運(yùn)行的相似類型旋翼航空器的相同或相似部位上，經(jīng)驗(yàn)需要得到申請(qǐng)人和局方的共同認(rèn)可； “試驗(yàn)”是指充分且必要的靜力試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)、功能試驗(yàn)等。

27/29.603條款還要求材料的適用性和耐久性必須滿足經(jīng)局方批準(zhǔn)的材料標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）。局方批準(zhǔn)的材料標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）分3類：（1）行業(yè)規(guī)范：指工業(yè)規(guī)范或軍用規(guī)范等。局方批準(zhǔn)的行業(yè)材料規(guī)范的形成由局方充分信任的行業(yè)協(xié)會(huì)把關(guān)，在行業(yè)材料規(guī)范的形成過(guò)程中局方進(jìn)行了足夠的監(jiān)控。如FAA批準(zhǔn)的行業(yè)規(guī)范有MIL-HDBK-17F《復(fù)合材料手冊(cè)》、MMPDS（金屬材料性能發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化）等文件中所列出的型號(hào)規(guī)范。（2）用戶材料規(guī)范：即申請(qǐng)人通過(guò)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)建立自己的材料規(guī)范。試驗(yàn)過(guò)程得到局方充分監(jiān)控，且材料規(guī)范本身得到局方審查，該用戶材料規(guī)范才可能被局方批準(zhǔn)。（3）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：由局方制定并發(fā)布的一類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CAAC可以根據(jù)CCAR37《民用航空材料、零部件和機(jī)載設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》，為民用航空材料制定并頒布技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（即局方的材料規(guī)范）。FAA現(xiàn)行有效的關(guān)于民用航空材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有FAA TSO-C80《Flexible and Oil Cell Material》。

旋翼航空器零件所用材料的適用性和耐久性的確定必須考慮預(yù)期服役環(huán)境條件（如應(yīng)力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等）。這些預(yù)期服役環(huán)境條件不僅包括短時(shí)間對(duì)材料性能造成影響的因素，還包括在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)材料性能造成影響的因素。

2.1.2 對(duì)27/29.613條款的理解

27/29.613條款對(duì)材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值做出了規(guī)定。

材料的強(qiáng)度性能是指與強(qiáng)度相關(guān)的材料特性，例如，壓縮、拉伸、剪切極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。材料的設(shè)計(jì)值是在足夠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照29.613（b）要求統(tǒng)計(jì)得到的材料強(qiáng)度性能，當(dāng)用于設(shè)計(jì)時(shí)，因材料變異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的概率能降到最低。對(duì)于材料的剛度性能（如彈性模量、泊松比），通常采用平均值。

通常所說(shuō)的材料許用值通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出，反映了材料的固有屬性。材料設(shè)計(jì)值以材料許用值為基礎(chǔ)確定，考慮并反映了設(shè)計(jì)特征和設(shè)計(jì)需要（如預(yù)期服役環(huán)境、使用限制）。

27/29.613 (a)款規(guī)定材料設(shè)計(jì)值需要在足夠的材料強(qiáng)度性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲得。“足夠”是指試驗(yàn)數(shù)據(jù)量足以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并能保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有較高的置信度。

“符合標(biāo)準(zhǔn)的材料試驗(yàn)”有3層意思：（1）所試驗(yàn)的材料要符合經(jīng)局方批準(zhǔn)的材料標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），保證材料是穩(wěn)定、一致的；（2）試驗(yàn)件的制備工藝要符合經(jīng)批準(zhǔn)的工藝規(guī)范，盡量減少工藝變化帶來(lái)的誤差；（3）試驗(yàn)過(guò)程要符合經(jīng)批準(zhǔn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，保證試驗(yàn)方法是合理、穩(wěn)定的，盡可能地降低系統(tǒng)誤差。

27/29.613（b）款規(guī)定材料設(shè)計(jì)值必須考慮“材料變化”，從而使因材料變化引起結(jié)構(gòu)破壞的概率降至最小。這里“材料變化”是指材料強(qiáng)度性能的變化偏差，這些變化源于材料工藝規(guī)范所允許的公差范圍。為達(dá)到“使任何結(jié)構(gòu)因材料變化而破壞的概率極小”的要求，（b）款對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征（單載荷路徑元件和多載荷路徑元件）的材料設(shè)計(jì)值分別提出了概率要求：（1）對(duì)于單載荷路徑的結(jié)構(gòu)元件（即所加的載荷最終通過(guò)組件內(nèi)的單個(gè)元件傳遞，因而該元件的破壞會(huì)導(dǎo)致部件失去結(jié)構(gòu)完整性），概率為99%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料規(guī)范采購(gòu)，按工藝規(guī)范加工）的強(qiáng)度性能高于設(shè)計(jì)值的概率為99%，該設(shè)計(jì)值也稱A基準(zhǔn)值。（2）對(duì)于多載荷路徑的結(jié)構(gòu)（即結(jié)構(gòu)中的載荷通過(guò)多個(gè)元件進(jìn)行傳遞，當(dāng)某個(gè)元件破壞或部分破壞時(shí)，載荷可以安全被分配到其他元件而不造成結(jié)構(gòu)完整性的喪失），概率為90%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料規(guī)范采購(gòu)，按工藝規(guī)范加工）的強(qiáng)度性能高于設(shè)計(jì)值的概率為90%，該設(shè)計(jì)值也稱B基準(zhǔn)值。

27/29.613（c）是一條有關(guān)使疲勞破壞減至最小的目標(biāo)規(guī)則，災(zāi)難性疲勞破壞的概率必須減至最小，這可通過(guò)使用被公認(rèn)的安全設(shè)計(jì)特征（如破損-安全特征）來(lái)實(shí)現(xiàn)，本款應(yīng)與27/29.571 條款共同理解。AC27-1B和AC29-2C中針對(duì)本款給出以下建議：

● 選擇的材料和應(yīng)力水平應(yīng)確保在出現(xiàn)裂紋后（低受載結(jié)構(gòu)）能得到一種可控的低裂紋擴(kuò)展速率和高的強(qiáng)度裕度的組合；

● 采用多路傳力結(jié)構(gòu)和止裂措施來(lái)限制裂紋增長(zhǎng)；

● 采用組合（多元件）復(fù)式結(jié)構(gòu)，以便在組合件（多元件）中的一個(gè)元件出現(xiàn)疲勞裂紋或破壞時(shí)，其它元件和剩余結(jié)構(gòu)仍具有適當(dāng)?shù)某休d能力；

● 凡一個(gè)元件承受所有載荷的地方，均應(yīng)有備用結(jié)構(gòu)。一旦主元件破壞，備用元件應(yīng)是有效的，并具有承受假定外載荷的能力；

● 設(shè)計(jì)上應(yīng)允許在裂紋造成危險(xiǎn)或?qū)е聫?qiáng)度明顯下降之前，能對(duì)所有關(guān)鍵件進(jìn)行裂紋檢測(cè)（包括采用裂紋檢測(cè)系統(tǒng)） ，而且允許更換或修理。

27/29.613（d） 規(guī)定了設(shè)計(jì)值選擇要求，設(shè)計(jì)值必須是經(jīng)民航總局認(rèn)可的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航總局批準(zhǔn)的其他數(shù)值。對(duì)于申請(qǐng)人期望采用的其他設(shè)計(jì)值，例如，MMPDS（MILHDBK-5）、CMH （MIL-HDBK-17）或ESDU00932等文件中的A、B、S基準(zhǔn)值等，局方對(duì)這些設(shè)計(jì)值的來(lái)源、在飛機(jī)上的使用經(jīng)驗(yàn)、預(yù)期的應(yīng)用等因素進(jìn)行評(píng)估后，可視情批準(zhǔn)。

表3 建議的材料適航條款符合性方法及說(shuō)明

當(dāng)申請(qǐng)人希望采用比（b）款所規(guī)定設(shè)計(jì)值更高的材料強(qiáng)度性能作為設(shè)計(jì)值時(shí)，可以采用（e）款規(guī)定的“選擇”作為表明對(duì)29.613符合性的方法，“選擇”的對(duì)象是材料?！懊總€(gè)單獨(dú)項(xiàng)目”是指采用更高設(shè)計(jì)值的某一強(qiáng)度性能項(xiàng)目（例如，拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等）。在采用“選擇”方法時(shí)，申請(qǐng)人對(duì)每一“選擇”的性能項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，高置信度地表明選擇材料的該項(xiàng)強(qiáng)度性能全部大于等于選定的設(shè)計(jì)值。選擇不能代替材料的驗(yàn)收，用于選擇的材料需要符合經(jīng)批準(zhǔn)材料規(guī)范，用于選擇的試驗(yàn)件需要按照經(jīng)批準(zhǔn)的工藝規(guī)范制造。2.2 符合性驗(yàn)證方法

基于對(duì)適航條款內(nèi)容的理解建議考慮采用以下符合性驗(yàn)證方法中的一種或幾種組合的方法來(lái)驗(yàn)證材料適航條款，見表3。

3 結(jié)語(yǔ)

適航標(biāo)準(zhǔn)隨著航空科學(xué)的進(jìn)步、航空工業(yè)和航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展以及人們對(duì)航空安全性認(rèn)識(shí)的深化而不斷發(fā)展和更新。針對(duì)具體的適航條款，如27/29.603、27/29. 613，不僅要了解適航條款本身的發(fā)展修訂歷程，更要了解適航條款的技術(shù)內(nèi)涵和外延，正確選擇符合性驗(yàn)證方法，才能民機(jī)研制中順利通過(guò)適航審查。因此，關(guān)注航空技術(shù)發(fā)展以及相應(yīng)適航條款的修訂，分析適航條款修訂的發(fā)展歷史、背景原因、驗(yàn)證技術(shù)，理解條款背后的關(guān)鍵因素和安全意圖，對(duì)我國(guó)研制民用航空器并通過(guò)適航審定具有重要意義。

[1] 中國(guó)民用航空局航空器適航司. 中國(guó)民用航空器適航管理[M]. 北京：中國(guó)民航出版社，1994.

（編輯：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2017）02-0034-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.02.010

[收修訂稿日期] 2016-12-27