金海鵬,葉 雷,劉世英,李嘉榮

（中國航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095）

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》指出：深入實施制造強國戰(zhàn)略，提升制造業(yè)核心競爭力，在航空發(fā)動機及燃氣輪機領域，加快先進航空發(fā)動機關鍵材料等技術研發(fā)驗證，推進民用大涵道比渦扇發(fā)動機CJ1000 產(chǎn)品研制，突破寬體客機發(fā)動機關鍵技術，實現(xiàn)先進民用渦軸發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化。民用航空器適航技術作為民航安全保證的基礎，其應用貫穿設計、制造和管理運行的全過程，有效保障了航空器的高安全水平[1]。

適航性是民用航空器（包括其部件及子系統(tǒng)）整體性能和操縱特性在預期運行環(huán)境和使用條件限制下安全性和物理完整性的一種品質。這種品質要求航空器在全壽命階段內(nèi)始終保持符合其型號設計要求和始終處于安全運行狀態(tài)[2]。適航涉及民用航空產(chǎn)品本質安全，涉及民用航空工業(yè)話語權，是國家民用航空工業(yè)核心競爭力的重要組成部分[3]。

民機的每一個零件都是由金屬、非金屬等材料經(jīng)過一系列工藝加工而成的，民機材料是民機結構的基礎，材料質量直接影響零件質量，從而影響飛機的適航性。按照適航法規(guī)規(guī)定，民用航空器材料應用必須通過適航符合性驗證，即型號合格審查過程中，申請人（通常是設計方）通過不同驗證方法證明材料滿足適航標準的要求，符合性驗證過程所應用的、用于表明材料符合適航條款要求的技術就是符合性驗證技術。突破符合性驗證技術，且應用適當?shù)姆闲则炞C方法是材料在民機產(chǎn)品應用的關鍵。特別是對于選用新材料的民機來說，應把材料適航符合性驗證技術作為重點開展研究和管理。材料體系是民機制造商核心技術體系之一，所以材料適航符合性驗證始終是型號適航取證的難點和重點[4]。本文將重點對民用飛機、發(fā)動機、直升機等民機產(chǎn)品適航規(guī)章中材料條款要求進行分析，例如：第25.603 條材料、第25.613 條材料的強度性能和材料的設計值，第29.603 條材料、第29.613 條強度性能和材料的設計值，第33.15 條材料。在上述分析基礎上，結合已取得型號合格證和正在取證的典型民機型號材料符合性驗證技術發(fā)展實際，總結闡明相應條款的符合性驗證技術和驗證方法，為民機材料適航符合性計劃制定和材料發(fā)展應用提供借鑒。

1 我國民機適航發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀90 年代以來，我國的Y11B、Y8F、Y12、Y7、N5A、MA600、ARJ21-700 等飛機型號和AC311、H425、直8F-100 等直升機型號以及WJ5E、WJ6、WJ5A-1、HS6K、WJ9、WZ8、WZ16 等中小型民用航空發(fā)動機型號取得了中國民航的適航證，部分已獲批準的民用航空產(chǎn)品目錄如表1 所示[5]。

表1 已獲批準的民用航空產(chǎn)品目錄[5]Table 1 Catalogue of approved civil aviation products [5]

其中，我國在民機飛機運12 的材料適航驗證方面，積累了一定經(jīng)驗。1987～1990 年，英國適航當局CAA 對運12 飛機的適航審查中，材料專業(yè)是最后通過的，符合性驗證主要集中在材料標準、材料性能數(shù)據(jù)以及材料供應商管控等。通過上述型號適航驗證，積累了以下經(jīng)驗[6]：

（1）適航性對材料的要求必須落實到經(jīng)規(guī)定程序批準的標準化技術文件上(至少應為企業(yè)級)。這些文件包括:材料技術條件、訂貨文件、材料驗收文件、工藝文件、測試方法及檢驗標準、管理標準等。文件應具有可操作性和可追蹤性，能保證生產(chǎn)穩(wěn)定性。

（2）國內(nèi)材料、特種工藝、理化檢測專業(yè)的現(xiàn)行正式標準(企標、航標、國軍標、國標等)還不夠配套齊全，個別標準在內(nèi)容上還有欠缺，需要加強標準的制定和修訂工作。

（3）設計中使用的材料性能數(shù)據(jù)應具有統(tǒng)計基礎(A 基值、B 基值)。我國手冊數(shù)據(jù)來源復雜，應加強自測數(shù)據(jù)的工作。

（4）應加強材料供應來源的質量控制工作，將型號主承制商的質量保證體系延伸到材料供應商。

雖然上述民機應用的材料隨型號一起通過了適航審查，取得了一定的材料應用經(jīng)驗，但絕大部分關鍵材料均為國外牌號材料或進口材料，國內(nèi)牌號材料較少能夠按照中國民用航空規(guī)章（CCAR）的適航要求通過符合性驗證，仍需開展大量的材料適航符合性驗證技術研究。

2 民用航空產(chǎn)品材料的批準

2.1 批準方式

根據(jù)《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》[7](CCAR-21-R4)，“零部件”的定義指任何用于民用航空產(chǎn)品或者擬在民用航空產(chǎn)品上使用和安裝的材料、零件、部件、機載設備或者軟件。根據(jù)CCAR-21-R4 第21.9 條款，零部件獲得批準的可選路徑如圖1 所示。

圖1 民用航空零部件獲得適航批準的路徑Fig.1 Path of obtaining the airworthiness approval for civil aviation parts and components

適航規(guī)章和程序文件對民用航空器從型號合格審定、符合性試驗、供應廠商、生產(chǎn)許可與監(jiān)控以及持續(xù)適航等方面進行了規(guī)定。對零部件的適航審查，相關管理程序[8]和規(guī)章[9]也規(guī)定了民用航空產(chǎn)品的材料、零部件、機載設備批準方式：

（1）頒發(fā)零部件制造人批準書（CAAC-PMA）；

（2）頒發(fā)技術標準規(guī)定項目批準書（CTSOA）；

（3）隨民用航空產(chǎn)品的型號合格（TC）審定、型號設計批準合格（TDA）審定、補充型號合格（STC）審定和改裝設計批準合格（MDA）審定一起批準；

（4）隨民用航空產(chǎn)品的型號認可合格審定或者補充型號認可合格審定一起批準；

（5）按進口材料、零部件和機載設備的設計批準認可要求和程序頒發(fā)設計批準認可證；

（6）民航總局規(guī)定的其他方式。

對于民機“零部件”中的材料而言，目前的適航批準都是采用上述第（3）種方式[10]，即，隨民用航空產(chǎn)品的型號合格（TC）審定、型號設計批準合格（TDA）審定、補充型號合格（STC）審定和改裝設計批準合格（MDA）審定一起批準。2020 年7 月16 日，通過民航規(guī)〔2020〕22 號和〔2020〕23 號兩份文件《技術標準規(guī)定項目批準書合格審定程序》(AP-21-AA-2020-12) 和《零部件制造人批準書合格審定程序》(AP-21-AA-2020-13) 下發(fā)并生效，正式取代了AP-21-06R3 及其相關的3 份管理文件[11]，但對于材料批準方式?jīng)]有發(fā)生改變，這與美國聯(lián)邦航空局（FAA）的要求十分接近。實際上，中國民用航空局對民機所用材料隨機審定（型號合格審定），并不單獨對材料進行適航批準。

2.2 符合性方法

適航驗證的目的是表明民機設計符合適用的適航標準（含環(huán)保標準等）。對于適航符合性驗證就是采用不同的方法以表明對適航規(guī)章條款的符合性，這些方法統(tǒng)稱為符合性驗證方法（Method of Compliance,MOC）?！逗娇掌餍吞柡细駥彾ǔ绦颉泛蜌W洲適航規(guī)章規(guī)定了10 種符合性方法，為了便于編制合格審定計劃和驗證文件，每種符合性方法賦予相應的代碼，即MOC0-MOC9，材料符合性驗證一般只用到MOC0、1、2、4，如表2 所示[12-13]。需要說明的是表中符合性驗證方法不同類別之間僅有驗證成本的差異，驗證有效性相同。

表2 符合性驗證方法[12-13]Table 2 Acceptance means of compliance [12-13]

3 民機適航規(guī)章對材料的要求分析

適航條款作為約束民用航空器安全的最低安全標準，其重要性不言而喻。為提升適航條款落實的有效性，需對當前適航條款進行分析，解析出適航條款的具體要求，給工程設計人員提供清晰的適航設計指導。有效的適航條款要求的解析是直接影響民機的適航性設計和符合性驗證的關鍵因素之一。適航規(guī)章中民機的適航性要求主要是針對整機或其零組件，在各個適航規(guī)章中涉及材料的條款很少，而且只是概括性的。中國民用航空局（CAAC）關于民用航空器的適航規(guī)章CCAR25（運輸類飛機適航標準）[14]、CCAR29（運輸類旋翼航空器適航規(guī)定）第603 條款要求[15]以及CCAR33（航空發(fā)動機適航規(guī)定）第33.15 條款[16]為直接對“材料”做出規(guī)定的條款，與FAR 和CS-E 基本一致。

3.1 適航規(guī)章對飛機和直升機材料的要求

《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25）是研制包括ARJ21-700、C919 等運輸類飛機所必須滿足的技術標準。當前有效版本為CCAR-25-R4，共計408 個條款[14]。材料的相關適航要求主要體現(xiàn)在CCAR-25 D分部設計與構造中25.603 材 料和25.613 材料的強度性能和材料設計值?！哆\輸類旋翼航空器適航規(guī)定》（CCAR-29）[15]是研制包括AC311、AC313 等運輸旋翼類航空器所必須滿足的技術標準。當前有效版本為CCAR-29-R2，共計310 個條款，材料的直接相關適航要求主要體現(xiàn)在CCAR-29 D章設計與構造中29.603 材 料和29.613 材料的強度性能和設計值。上述兩部飛機和直升機適航規(guī)章中材料相關條款技術內(nèi)容基本一致，涉及的兩項條款要求一并分析。

3.1.1 第25.603/29.603 條材料

其損壞可能對安全性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：

（a）建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上。

（b）符合經(jīng)批準的標準（如工業(yè)或軍用標準，或技術標準規(guī)定），保證這些材料具有設計資料中采用的強度和其他性能。

（c）考慮服役/使用中預期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

根據(jù)工程實踐，從驗證角度出發(fā)，本條（a）款[17]中材料的范疇是損壞后可能對安全性有不利影響的零件所用的材料（包括金屬和非金屬材料）的適用性和耐久性。這里的零件包括結構零件，也包括非“結構”零件。零件所用材料的適用性和耐久性必須建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上。如經(jīng)過航線飛機長期考驗、被證明在各種不同載荷情況和環(huán)境下適用性和耐久性好的成熟材料，或是經(jīng)過大量試驗確定的材料；（b）款是本條的核心適航要求，材料應符合某種材料規(guī)范，材料規(guī)范應具備保證材料具有設計資料所采用的強度和其他性能的功能。因此，應基于統(tǒng)計建立材料規(guī)范。只有基于統(tǒng)計建立的材料規(guī)范，才能保證材料具有設計資料所采用的滿足一定概率要求的材料強度和其他性能。材料規(guī)范需經(jīng)過局方批準，新的材料規(guī)范，需經(jīng)過試驗的方法來確定[18]；（c）款針對的是材料的適用性和耐久性。由于有些材料其設計性能會隨環(huán)境而變化，因此這類材料用在關鍵零件上時要考慮環(huán)境因素的影響。

3.1.2 第25.613/29.613 條材料的強度性能和材料的設計值

（a）材料的強度性能必須以足夠的材料試驗為依據(jù)（材料應符合經(jīng)批準的標準），在試驗統(tǒng)計的基礎上制定設計值。

（b）材料的設計值必須使因材料偏差而引起結構破壞的概率降至最小。除本條（e）和（f）的規(guī)定外，必須通過選擇確保材料強度具有下述概率的設計值來表明其符合性：（1）如果所加的載荷最終通過組件內(nèi)的單個元件傳遞，因而該元件的破壞會導致部件失去結構完整性，則概率為99%，置信度95%；（2）對于單個元件破壞將使施加的載荷安全地分配到其他承載元件的靜不定結構，概率為90%，置信度95%。/設計值的選擇必須使任何結構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，必須通過選取保證具有下述概率引起的設計值來表明本款的符合性：（1）對所施加載荷最終分布于某部件中的單個元件的情況，若該元件的破壞將導致部件結構完整性的喪失，則應保證99%的概率及95%的置信度；（2）對于超靜定結構，若單個元件的破壞將導致所施加的載荷安全地分配到其他承載元件上，則應保證90% 的概率及95%的置信度。

（c）在飛機運行包線內(nèi)受環(huán)境影響顯著的至關重要的部件或結構，必須考慮環(huán)境條件，如溫度和濕度，對所用材料的設計值的影響。/結構的強度、細節(jié)設計和制造，必須使災難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應力集中處。

（e）如果在使用前對每一單項取樣進行試驗，確認該特定項目的實際強度性能等于或大于設計使用值，則通過這樣“精選”的材料可以采用較高的設計值。/如果在使用前對每個單獨項目取樣進行試驗從而對材料加以選擇，并確定該特定項目的真實強度特性達到或超過設計中使用的數(shù)值，則可采用其他設計值。

（f）如果經(jīng)中國民用航空局適航部門批準，可以使用其他的材料設計值。/（d）設計值必須是經(jīng)民航局認可的材料技術標準或手冊中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航局批準的其他數(shù)值。

對材料強度性能和設計值，以及結構設計中選擇材料的原則進行了規(guī)定，結構設計要按25.603 條款選擇材料（符合經(jīng)批準的標準）[19]。強度所用的設計許用值應通過試驗獲得，其材料的強度性能需要按照批準的材料標準進行試驗，并獲得足夠的試驗數(shù)據(jù)。材料的性能數(shù)據(jù)的得出應當建立在可靠的統(tǒng)計方法基礎上，性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理應采用局方認可的方法，如復合材料宜采用“復合材料手冊”（CMH-17）提供的設計值統(tǒng)計方法，金屬材料宜采用“金屬材料性能發(fā)展與標準化”（MMPDS）第九章“指南”中提出的材料設計值統(tǒng)計計算方法，并給出A、B 基準的設計值[20]。確定設計許用值時還要考慮濕熱環(huán)境、疲勞損傷等影響。

根據(jù)工程實踐，從驗證角度出發(fā)，本條（a）款中規(guī)定[21]材料設計值要在足夠的材料強度性能試驗數(shù)據(jù)基礎上通過統(tǒng)計分析獲得?！白銐颉笔侵笇嶒灁?shù)據(jù)量足以進行統(tǒng)計分析，并能保證統(tǒng)計結果具有高的置信度。（b）款規(guī)定材料的設計值需覆蓋材料偏差，從而將因材料偏差引起結構破壞的概率降至最小。這里的“材料偏差”是在材料強度性能的波動，這些波動源于材料生產(chǎn)工藝所允許的公差范圍。為達到破壞概率最小的要求，對不同結構設計特征的材料設計值分別提出了概率要求。對于飛機，（c）款要求當部件或結構同時滿足以下兩個條件時，所用材料的設計值需考慮環(huán)境條件的影響，即零件對飛機安全有重要影響和受環(huán)境影響顯著。“環(huán)境條件”為飛機運行包線內(nèi)的環(huán)境條件，主要包括溫度和濕度，還包括介質和輻射等。考慮環(huán)境對材料設計值的影響時，應考慮最不利的環(huán)境條件組合；對于直升機，（c）款是有關使災難性疲勞破壞減至最小的目標要求，在具體結構設計過程中，應根據(jù)所指定的疲勞評定準則使用不同的結構設計特征。（e）款與（b）款目的要求都是要將因材料偏差而引起結構破壞的概率降至最小，可通過“統(tǒng)計”方法實現(xiàn)，也可以基于“精選”方法實現(xiàn)。如果根據(jù)（e）款采用了“精選”方法，則可以使用大于（b）款確定的設計值。在這一過程中，對合適的試樣進行測試，以確定將安裝在飛機上的每個零部件的實際強度特性，以確保強度不會低于設計使用的強度。同時要滿足：（1）如果已知材料是各向異性的，則測試應考慮這一條件；（2）如采用精選方案，應在設計圖上明確試驗程序和驗收標準。飛機材料規(guī)章25.613 條（f）款與直升機材料規(guī)章29.613 條（d）款要求相近，即可以直接采用局方認可的材料技術標準或手冊中規(guī)定的材料設計值，或局方逐項批準，考慮材料來源、服役經(jīng)驗和應用情況，以前使用的材料設計值（例如MIL-HDBK-5 或ESDU 00932 的“S”值）。

3.2 適航規(guī)章對發(fā)動機材料的要求

《航空發(fā)動機適航標準》（CCAR-33）[16,22]是研制包括WZ8、AES100、CJ1000 等運輸旋翼類航空器所必須滿足的技術標準。當前有效版本為CCAR-33-R2，共計72 個條款，材料直接相關適航要求只有CCAR-33B 章設計與結構中的33.15 條。

發(fā)動機所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

（a）建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上；

（b）符合經(jīng)批準的規(guī)范（如工業(yè)或軍用規(guī)范），保證這些材料具有設計資料中采用的強度和其他性能。

根據(jù)工程實踐，從驗證角度出發(fā)，本條（a）款要求材料應具有一定的使用經(jīng)驗，且材料必須通過試驗驗證；（b）款是核心的適航要求，材料應符合特定材料規(guī)范，材料規(guī)范應基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析建立，具備保證材料具有設計資料中采用的強度和其他性能的功能，以確保用于結構設計和強度校核的材料許用值（設計許用值）具有統(tǒng)計上的可靠性。

4 民機材料適航符合性驗證技術

4.1 飛機材料適航符合性驗證

4.1.1 復合材料驗證

隨著復合材料在民機上的應用和發(fā)展，美國聯(lián)邦航空局（FAA）于2009 年頒布了咨詢通告AC20-107B“復合材料結構”[23]，其中第6（a）條對飛機復合材料和工藝控制的符合性驗證提供了可接受但不是唯一的概括性的驗證方法，包括材料和工藝標準的建立、制造工藝更改的控制、規(guī)范性能指標的確定、環(huán)境對材料和工藝影響數(shù)據(jù)庫的提供、監(jiān)控關鍵特性和工藝參數(shù)的過程質量控制、標準允許的差異容限等6 個方面。美國先進材料性能國家中心（NCAMP）建立了復合材料規(guī)范和設計值方法，落實了FAA 所發(fā)布的關于復合材料鑒定、材料規(guī)范和工藝規(guī)范建立方法指導材料的指導意見[24-26]。

25.603和29.603條宜采用MOC1，MOC2 和MOC4 的方法對進行符合性驗證[27]。FAA 接受NCAMP 建立的復合材料行業(yè)規(guī)范作為25.603 和29.603 條款的證據(jù)[28]，但需要開展等同性驗證實驗。受限于驗證技術和成本考慮，目前國內(nèi)的型號申請人未在大型飛機、發(fā)動機等型號適航取證中采用NCAMP 材料規(guī)范作為證據(jù)，而采用驗證復合材料規(guī)范的方式，進行該適航條款的符合性驗證。復合材料規(guī)范建立的驗證活動，是復合材料對25.603 和29.603 條款符合性驗證的核心。對于運輸類飛機，采用NCAMP 生成的材料規(guī)范、材料性能數(shù)據(jù)，并為此開展的等同性驗證工作，還需與負責型號審定的審查組具體溝通確認工作充分性。材料生產(chǎn)商所提供的材料應經(jīng)過型號申請人的鑒定，之后在型號合格審定過程中進行符合25.603和29.603 條款的適航驗證工作，其主要流程是型號申請人首先制定材料選用原則，依據(jù)選材原則進行型號材料；其次編制材料選用范圍目錄、材料標準手冊、全機材料選用總結；再次編制材料規(guī)范，驗證材料的適用性，鑒定材料是否合格[24]，提供材料基本性能。通過上述工作，完成對該適航條款的驗證工作。

25.613和29.613條宜采用MOC1、MOC2 和MOC4 的方法進行符合性驗證。FAA 接受NCAMP建立的復合材料設計值作為表明25.613 和29.613條款的證據(jù)[28]，但需要開展等同性驗證實驗。除對各部位復合材料結構選取其典型層板的鋪層設計進行設計許用值的試驗，以獲得該部位結構的設計許用值，用于結構設計與強度分析外，工藝（制造方法）也是重要的影響因素，需要開展補充驗證。受限于等同性驗證方法發(fā)生Ⅱ型錯誤的可能性缺乏充分研究，也受限于驗證技術和成本考慮，目前國內(nèi)的型號申請人未在大型飛機、發(fā)動機等型號適航取證中采用NCAMP 材料規(guī)范作為證據(jù)，而采用驗證復合材料規(guī)范的方式，進行適航條款的符合性驗證。驗證一般按照ASTM、EN、ISO 或其他被中國民用航空局認可的標準設計典型試驗件并進行試驗，試驗內(nèi)容主要包括：開孔拉伸、開孔壓縮、沖擊后壓縮、面內(nèi)剪切等在常溫、濕熱環(huán)境下的試驗。按照CMH-17 的方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，給出符合條款要求可靠度與置信度的設計許用值，包括拉伸許用值、壓縮許用值、剪切許用值，以及環(huán)境影響因子[29-30]。

4.1.2 金屬材料驗證

經(jīng)向目前國內(nèi)主要飛機型號申請的團隊調(diào)研，金屬材料的驗證方法主要按照是否有在民用飛機上成熟應用進行劃分：

（1）對于成熟應用材料，材料規(guī)范已經(jīng)在取證的民機上作為設計資料，并且材料供應商按照相同生產(chǎn)過程控制文件生產(chǎn)的材料已經(jīng)被列為合格產(chǎn)品的，采用MOC1（符合性說明）表明符合性；相應的材料設計值也可以被采用。MMPDS 手冊所列AMS 規(guī)范及相應的合格產(chǎn)品也屬于這種情況；

（2）對于成熟材料規(guī)范但新材料生產(chǎn)商，需要通過試驗表明材料對規(guī)范的符合性，即材料合格鑒定。通過材料合格鑒定的，納入合格產(chǎn)品目錄。生產(chǎn)過程控制文件（PCD 文件）評審，是申請人需要開展的必要工作。一般采用多批次的鑒定試驗；

（3）對于新材料，材料規(guī)范、材料來源均未在經(jīng)批準的民機上應用。需要在材料穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎上開展多批次材料試驗（MOC4），經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計建立材料規(guī)范、材料設計值。

4.2 發(fā)動機材料適航符合性驗證

民用發(fā)動機安全性指標是有定量的概率值（10–5）定義的，安全性指標的“由頂至底”的定量分配與“由底至頂”的定量驗證是提升發(fā)動機安全性水平的關鍵核心。目前，國內(nèi)目前僅有少數(shù)中小型民用航空發(fā)動機通過中國民航的認證，且隨型號驗證的大多采用國外牌號材料，國產(chǎn)發(fā)動機材料在適用性、耐久性的適航符合性驗證方面公開報道較少。下面分別介紹FAA 對發(fā)動機材料審查和驗證工作以及國內(nèi)發(fā)動機材料適航符合性驗證思路。

4.2.1 FAA 對發(fā)動機新材料的審查

在GEPassport 20 大涵道比渦扇發(fā)動機認證材料性能報告給出了新材料的符合性驗證方法[31]。依據(jù)14CFR 33.15 對全部新材料和工藝進行工程試驗和分析來表征材料性能，編制并提交包含所有新材料的獨立審查報告，報告用于建立新材料的適用性和耐久性，包括材料性能、工藝穩(wěn)定性以及過程控制規(guī)范。報告中包含使用新材料零件的描述，材料符合標準中的化學成分、力學性能和工藝上下限的要求，新舊材料的物理、力學和環(huán)境特性等關鍵性能和關鍵特性的對比，如表3 所示，并提供每種新材料應用的合理性和優(yōu)勢。

表3 GE Passport 20 發(fā)動機應用的新材料[31]Table 3 New materials for GE Passport 20 engine applications[31]

新材料符合經(jīng)批準的規(guī)范，規(guī)范保證了新材料具有設計所需的性能。應用在發(fā)動機零件上的新材料通過發(fā)動機審查試驗過程和實驗室測試后的評估，發(fā)動機試驗結果、實驗室測試和規(guī)范表明，GE Passport 20 采用的新材料滿足14 CFR、part 33、Amendment 32、Section 33.15 的要求，GE Passport 20 所采用新材料的適用性和耐久性得到了驗證，材料符合性驗證主要采用了MOC2 方法。

4.2.2 國內(nèi)發(fā)動機材料符合性驗證思路

國內(nèi)民用發(fā)動機生產(chǎn)大多采用的是新材料和新工藝，新材料、新工藝是航空發(fā)動機技術進步的重要基礎，也是適航審查的重中之重[32]。由于中國民航局還未正式發(fā)布獨立完整的發(fā)動機適航符合性方法，因此對CCAR-33.15 條款的符合性驗證仍參考FAR-33 相應條款的歷次修正案、咨詢通告（AC）及相關參考文件。咨詢通告主要包括：AC33.15-1[33]、AC33.15-2[34]、AC33-10[35]、AC33-11[36]等。國內(nèi)隨著民用飛機型號（ARJ21 和C919）適航認證的深入，逐步建立了飛機材料/標準件適航符合性驗證程序以及供應商管理和質量體系批準程序，發(fā)動機材料適航符合性驗證可借鑒國外發(fā)動機材料和國內(nèi)飛機材料符合性驗證流程、設計用材料性能數(shù)據(jù)獲取等方面經(jīng)驗，形成CCAR-33.15條款的符合性驗證方法，主要包括材料標準制定、材料性能數(shù)據(jù)和過程控制。

按照AIR 4779D 要求[37]通常材料規(guī)范（標準）中包含三方面的技術要求：（1）直接影響材料性能/功能的材料生產(chǎn)工藝要求。例如熔煉、鑄造、鍛造、熱處理等。（2）直接影響材料性能/功能的材料組成和組織結構。例如化學成分、宏微觀組織。（3）能夠實現(xiàn)材料性能全面控制的代表性的材料性能參數(shù)。例如：物理化學性能，力學性能，無損檢測。材料標準的建立應基于統(tǒng)計計算，參照AMS標準的形成過程建立材料標準。

材料必須具備足夠的設計所需的性能數(shù)據(jù)，尤其是在關鍵及重要部位使用的材料。標準規(guī)定的性能數(shù)據(jù)如A基值、B基值、－3σ值、應力-應變曲線、不同溫度下的性能、疲勞性能、斷裂性能、腐蝕性能、損傷容限性能等，這些性能數(shù)據(jù)不可能進行多熔批材料的性能測試，但必須測試相應數(shù)量的值，以保證提供的設計數(shù)據(jù)的有效性。不同的使用部位，根據(jù)其重要程度，選用不同的統(tǒng)計值。

過程控制包括原材料生產(chǎn)、供應廠商控制、材料標準、零件制造、質量保證、檢驗等方面，這些過程控制是保證零件達到要求的充分必要條件，也是材料適航符合性驗證的重要依據(jù)。

4.3 直升機材料適航符合性驗證

AC313 直升機取證過程中，采用MOC1、MOC4和MOC9 的方法進行了29.603 符合性驗證[38]。在零件設計圖樣中明確所選用的材料及其要求。其中涉及的金屬材料均在型號上廣泛應用，經(jīng)過長期的試飛驗證經(jīng)驗可以證明其性能的穩(wěn)定性；機體結構、旋翼系統(tǒng)使用的復合材料[39]是在借鑒其他機型國產(chǎn)化研制經(jīng)驗的基礎上應用于民機，在其他機型工藝、性能研究的基礎上，又按“積木式方法”補充進行了材料試樣級、元組件級以及部件級試驗。其他非金屬材料，根據(jù)具體使用部位要求，補充了阻燃試驗等試驗驗證?？梢姡珹C313 直升機所選用的復合材料、金屬材料及非金屬材料大多建立在型號使用經(jīng)驗基礎上，并且針對復合材料和部分非金屬材料已補充了試驗驗證。材料均已進行了隨機試飛考核或是進行了試驗驗證，符合（a）款要求。

針對29.603（b）款，AC313 直升機金屬材料標準以國軍標、國標為主，非金屬材料標準以行業(yè)、型號或是企業(yè)標準為主，這些標準均經(jīng)過主管部門批準，在國內(nèi)頒布實施，并為現(xiàn)行有效的標準。復合材料標準為直升機專用標準，通過行業(yè)評審，且按“積木式方法”要求補充進行試驗驗證。AC313直升機采用的材料均具有相關的標準進行控制，并且按標準進行驗證，確保材料具有設計資料中所采用的強度和其他特性，符合（b）款要求[38]。

針對29.603（c）款，環(huán)境影響包括自然環(huán)境和安裝環(huán)境。安裝環(huán)境既要考慮與潛在有害液體和化合物的直接接觸，也要考慮他們的預期流動情況。設計選材時充分考慮使用中預期出現(xiàn)的環(huán)境條件，選用適應期環(huán)境條件的材料。尤其是復合材料，充分考慮溫度、濕度等對復合材料特性的影響。另外，型號選取的材料及采取的防護措施已在其他型號上經(jīng)受了外場的使用飛行考核，符合（c）款要求。

采用MOC1、MOC2、MOC4的方法進行29.613 條款符合性驗證[38]。金屬材料選擇成熟材料，強度驗證用的強度性能值選取自局方認可的《飛機設計手冊》或在圖樣上給出具體規(guī)定；旋翼系統(tǒng)、機體結構采用復合材料，其強度性能主要是結合具體結構設計特征，通過復合材料結構元件級試驗，以統(tǒng)計分析的方法確定的。試驗所用標準均為ASTM 系列標準，試驗所用統(tǒng)計分析方法經(jīng)過局方批準。在結構的強度和細節(jié)設計與制造過程中，充分考慮疲勞破壞的影響，采用合理安排結構布局和傳力路徑、采用圓弧過渡和減少界面突變、降低零件表面粗糙度等措施來使結構災難性疲勞破壞的概率減至最小，表明對29.613 條款的符合性。

5 結束語

我國先進渦扇支線飛機ARJ21 和大型民用直升機AC313 已取證，其選用的材料也隨機完成符合性驗證，表明民用飛機材料和民用直升機材料在設計、研發(fā)和制造方面取得重要成果、獲得寶貴經(jīng)驗，特別是在材料符合性驗證技術方面有了一定的技術積累，這些經(jīng)驗和技術為發(fā)動機材料適航驗證提供了方法和技術借鑒，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）民用飛機和直升機規(guī)章中材料條款2X.603和2X.613 條主要采用MOC1、MOC2、MOC4 方法進行符合性驗證，發(fā)動機規(guī)章材料條款33.15 可借鑒飛機和直升機材料條款的驗證方法進行驗證。

（2）材料適航符合性驗證中，基于統(tǒng)計分析的方法建立標準（規(guī)范）是材料符合性驗證的關鍵，民機材料要實現(xiàn)定量的符合性驗證的關鍵是材料標準（規(guī)范），只有基于統(tǒng)計建立的材料標準（規(guī)范），才能保證材料具有設計資料所采用的滿足一定概率要求的材料強度和其他性能。

（3）統(tǒng)籌現(xiàn)有符合性驗證技術基礎、驗證管理流程和型號發(fā)展需求，創(chuàng)新管理實踐，科學規(guī)范民用發(fā)動機型號選材，提升材料適航符合性計劃水平，增強材料適航符合性驗證技術能力，大力推進自主知識產(chǎn)權材料隨民用航空產(chǎn)品的型號合格批準，為促進我國民用發(fā)動機快速發(fā)展提供技術保障。