運輸類飛機風擋抗鳥撞適航符合性驗證方法

何思，劉存喜

(中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設計研究院，西安　710089)

運輸類飛機風擋抗鳥撞適航符合性驗證方法

何思，劉存喜

(中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設計研究院，西安710089)

摘要：每年全球鳥撞飛機事件頻發(fā)，將鳥撞損傷對飛行安全帶來的影響減至最小一直是不斷追求的目標。通過對CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》中與風擋鳥撞密切相關的適航要求進行解讀與分析，并基于某民用飛機型號經驗，詳細說明了如何將鳥撞適航要求融入飛機風擋設計階段中，總結了一套可操作的滿足運輸類飛機適航要求的風擋抗鳥撞驗證方法，為新研MA700客機風擋鳥撞的符合性驗證提供了參考。

關鍵詞：運輸類飛機；適航；風擋；鳥撞；符合性驗證

0引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，全球每年發(fā)生多起飛鳥撞擊飛機的事故。近年來，我國的鳥撞事故呈明顯遞增勢態(tài)，2013年中國民航共統(tǒng)計的鳥撞事故3 124起，較上年增長20.02%，占事故征候總數(shù)的57.97%，因鳥撞造成的經濟損失約合人民幣9 672萬元[1]。鳥撞事件屢見不鮮，將鳥撞損傷對飛行安全帶來的影響減至最小一直是不斷追求的目標[2]。傳統(tǒng)鳥撞的驗證流程為計算-試驗-再計算-再試驗。國外對于風擋鳥撞有著成熟的分析軟件和試驗技術，且分析結果和試驗結果相匹配，試驗通過率高，能夠有效支持其風擋的設計和適航驗證[3-4]。然而國內運輸類飛機由于起步較晚，設計和驗證經驗不足，鳥撞的軟件分析結果和試驗結果吻合度較差[5]，導致試驗循環(huán)反復，周期長且花費巨大，給民機型號鳥撞的驗證工作帶來了困難。

隨著國內新研的MA700客機風擋鳥撞設計工作的開展，為了滿足CCAR 25部的條款要求，盡可能避免在驗證過程中走彎路，本文通過對某民用飛機的鳥撞驗證經驗進行總結，改進設計與驗證流程，提出一套滿足條款要求的具有可操作性的風擋鳥撞設計與驗證方法，為MA700飛機的鳥撞適航性驗證工作提供參考。

1適航條款要求

CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》[6]中，與風擋鳥撞相關的適航條款為25.775(b)和25.775(c)條。

(1) CCAR 25.775(b)條專門就鳥撞問題對風擋玻璃及其支承結構提出要求。安裝在駕駛員前面用來保護駕駛員的風擋玻璃及其支承結構應能承受飛機速度等于按照CCAR 25.335(a)選定的海平面Vc值時與1.8 kg(4 lb)重的鳥的撞擊。撞擊后，不允許有影響飛機操作的結構破壞，即因玻璃或塑料零件破碎、結構元件破裂而傷害駕駛員和其他乘員或引起艙內襯板撕掉進而影響正常工作都是不允許的。

(2) CCAR 25.775(c)條指出某些要害部位的玻璃在不能保證風擋及其支承結構受到鳥撞還能保持完整性的情況下，必須有措施將風擋玻璃飛散碎片傷害駕駛員的危險減至最小。必須通過分析或鳥撞試驗證明風擋玻璃受到鳥撞時破碎是極不可能的，否則必須有措施保護駕駛員不受玻璃碎片的傷害。該條中列出了三種安裝情況的玻璃：位于飛機正面的；對飛機縱軸傾斜15°或更大的；其某一部分的位置會導致碎片傷害駕駛員的。上述情況在發(fā)生鳥撞時，玻璃碎片都有可能傷害駕駛員[7-9]。

2某民用飛機風擋抗鳥撞案例

2.1風擋玻璃結構

某民用飛機主風擋和通風窗均為五層層合結構。主風擋沿厚度方向分布如圖1所示。其中第1、3、5層為鋼化玻璃層，第2、4層為中間層粘接材料，第6部分為風擋的橡膠包邊。通風窗玻璃結構與主風擋類似。

圖1　主風擋玻璃結構

2.2鳥撞動響應分析

按照CCAR 25.775(b)條要求，鳥體質量為1.8 kg(4 lb)，結合飛機的設計速度包線，確定風擋鳥撞速度為151 m/s(293節(jié))。以該飛機主風擋為例，風擋及窗框的有限元模型如圖2所示。

圖2　主風擋鳥撞有限元模型

參照已經完成的鳥撞研發(fā)試驗，選取包括主風擋頂部前拐角處和風擋玻璃中心在內的共計5個位置進行鳥撞分析，并與研發(fā)試驗結果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，表明動響應分析結果可以指導設計及改進。

綜上所述：每個位置鳥撞之后，主風擋的外層玻璃均出現(xiàn)破壞，但中間層及內層玻璃最大應力均在其材料極限應力以內；有三個位置的支撐部件均出現(xiàn)了不同程度的破壞，因此需要對主風擋的支撐部件進行改進。結構改進后重新進行分析，結果表明該民用飛機主風擋能夠承受1.8 kg鳥體、151 m/s速度的撞擊，還需通過試驗進行驗證。

2.3鳥撞試驗

某民用飛機的鳥撞驗證試驗按照ASTM-F330標準中的試驗方法在國外進行。

參考空客、波音和其他飛機的駕駛艙風擋玻璃鳥撞試驗：加溫狀態(tài)下最不利的情況是對玻璃中心的撞擊，冷卻狀態(tài)下最不利的情況是對玻璃拐角處的撞擊。故試驗選取四處鳥撞部位進行試驗，在主風擋、通風窗每塊窗玻璃上進行一次撞擊試驗。同時試驗增加CCAR 25.775(d)條款中要求的“溫度對玻璃聯(lián)合作用的影響”作為試驗條件之一，并在試驗前采用電加熱毯或充有液氮的制冷箱覆蓋在窗戶外表面來對玻璃進行加溫或降溫，從而達到試驗所需溫度。

(1) 試驗判據

①不允許鳥穿透玻璃進入駕駛艙。可以接受的現(xiàn)象是：當撞擊時由于結構變形，少量鳥的血肉從縫隙流入駕駛艙，不會對飛行員造成傷害。

②沒有因玻璃散落而造成的危險。即外層玻璃可以被撞壞，但是第3層和第5層兩個結構層中至少要有一層保持完整，以確保飛機能緊急著陸，并且玻璃不能在駕駛艙內發(fā)生散裂。

(2) 試驗結果

①左側、右側主風擋和右側通風窗在試驗中沒有鳥肉滲入，玻璃和結構均完好，通過了試驗驗證。

②左側通風窗外層成放射狀碎裂，但玻璃兩個結構層均完好，試驗中有少許鳥肉進入駕駛艙，但不會對飛行員造成傷害，且結構部件和運動功能未受可見的影響，滿足試驗成功的評判標準，通過了鳥撞試驗驗證。

試驗后的照片如圖3所示。

圖3　左側通風窗(從駕駛艙內看)

3風擋抗鳥撞適航性驗證方法

某民用飛機是嚴格按照CCAR 25部進行設計的民用客機，但其最初的動響應分析模型與研發(fā)試驗結果并不一致，不能有效地指導設計和試驗，使得其鳥撞適航驗證工作進展緩慢?；谠撁裼蔑w機風擋鳥撞適航驗證經驗，本文總結出一套完整的抗鳥撞設計及適航符合性驗證流程。

鳥撞適航性要求的目的是保證飛機遭受鳥撞后能夠繼續(xù)安全飛行和著陸[10]。驗證的總體思路是采用動響應分析與鳥撞試驗相結合的方法。

3.1適用的符合性方法

在初步設計方案確定之后，需按照適用的適航條款要求，確定相應的符合性驗證方法，建議CCAR25.775(b)和CCAR25.775(c)都選擇的符合性方法(Means of Compliance，簡稱MoC)包括MoC0、MoC1、MoC2和MoC4。

MoC0：符合性聲明。若飛機的風擋設計與已取得型號合格證的飛機相似，可采用說明性文件進行類比表明符合性，不進行分析和試驗驗證(例如A320系列機型)。

MoC1：說明性文件。包含風擋設計圖紙、技術方案、符合性說明報告等。

MoC2：分析/計算。包括風擋鳥撞動響應分析和/或支撐結構剩余強度分析。

MoC4：試驗室試驗[11]。

3.2鳥撞動響應分析

在完成結構初步設計之后，對風擋玻璃及窗框結構進行動響應分析。

鳥撞動響應分析方法包括基于能量的半經驗工程方法(能量法)和有限元方法。早期型號上應用較多的是能量法，但是由于該方法未考慮鳥體與飛機結構之間的耦合效應，導致分析結果通常精度不高且偏保守。有限元方法考慮了鳥體與飛機結構間的耦合效應，并已在新研型號(例如A380和B787)上成功應用且逐漸趨于成熟，分析結果精度相比于能量法有很大的提高，鳥撞試驗的次數(shù)明顯減少[12]。綜上所述，飛機鳥撞動響應分析建議采用有限元方法。

鳥撞動響應分析主要包括建模、確定風擋鳥體質量與鳥撞速度、模型驗證、選擇撞擊點并進行動響應分析、篩選鳥撞薄弱部位、結構安全分析。

3.2.1建模

建立鳥撞結構有限元模型，真實模擬鳥撞區(qū)域結構的自身剛度、支持剛度及連接剛度。對于鳥體模型，由于鳥體與結構撞擊時通常會表現(xiàn)出流體特性，通常假設為理想不可壓縮的流體單元(目前主要采用膠囊型)。

3.2.2確定風擋鳥體質量與鳥撞速度

按照CCAR 25.775(b)條要求，鳥體質量為1.8 kg(4 lb)，結合飛機的設計速度包線，確定風擋鳥撞速度。

3.2.3模型驗證

目前國內鳥撞動響應分析結果與試驗結果還不能很好地吻合，原因是鳥撞動響應分析屬于結構高速加載后大變形和大應變的非線性沖擊動力學，影響仿真結果準確性的因素較多，其中鳥撞分析模型的準確度、材料非線性狀態(tài)參數(shù)的選取、鳥撞速度等因素對動響應分析結果影響較大。因此，需對動響應分析模型進行研發(fā)性試驗驗證，驗證鳥體與風擋結構的本構關系、鳥體模型的合理性、連接件的模擬及風擋結構材料的非線性狀態(tài)參數(shù)選取的準確性與合理性等。

根據研發(fā)性試驗驗證結果與動響應分析結果的對比情況，對分析模型進行修正迭代，直至試驗結果與動響應分析結果趨于吻合，以確認風擋結構模型、鳥體模型及材料模型的準確性。

3.2.4選擇撞擊點并進行動響應分析

風擋上的撞擊點應考慮風擋、支撐骨架及連接情況，撞擊點應從下列五點選擇[13]：①結構剛度最大點；②結構剛度最小點；③最大變形點；④有代表性的邊緣點；⑤風擋中心。具體撞擊點位置的選擇可參考類似機型設計經驗。

3.2.5篩選鳥撞薄弱部位

根據各個點的鳥撞分析結果，依照其變形/損壞情況，從鳥撞分析點中篩選出薄弱點，作為鳥撞試驗驗證選點。

3.2.6結構安全分析

依據鳥撞動響應分析結果，若鳥撞對風擋支承結構產生影響，則需對該結構進行安全分析。

(1) 如果支承結構僅僅變形，沒有出現(xiàn)裂紋或破壞，應通過分析/計算表明變形后的結構能滿足靜強度載荷工況要求；

(2) 如果支承結構出現(xiàn)裂紋或損壞，將破壞部位結構元件設為虛元，對損傷結構進行剩余強度分析，如果剩余強度滿足載荷要求，則認為結構是安全的，否則需更改支承結構設計。雖然條款原文要求支承結構承受鳥撞后不被擊穿即可，但通常設計方要求更高，不允許此種情況出現(xiàn)。

3.3試驗驗證

(1) 根據風擋鳥撞點的分布情況及風擋鳥撞適航性要求，編制試驗任務書和試驗大綱，并在其中給出試驗合格判據：風擋及其支承結構不允許被擊穿；且為了滿足CCAR 25.775(c)條要求，除非證明風擋玻璃受到鳥撞時破碎是極不可能的，否則必須有措施保護駕駛員不受玻璃碎片的傷害。

(2) 然后根據動響應分析中得出的鳥撞驗證試驗選點，開展鳥撞試驗驗證。試驗件的安裝應盡可能地模擬結構支持剛度及連接情況，通常情況下會采用真實機頭機構。試驗結束后依據試驗結果編寫試驗報告并對結果進行分析。

若鳥撞理論分析結果與試驗結果不符，以試驗結果為準。若試驗結果不滿足試驗判據要求，則需查找原因(若為設計原因，需改進風擋設計，重新進行分析和試驗；若為制造、安裝等其他問題，需改進后重新進行試驗)。

風擋抗鳥撞設計與驗證流程如圖4所示。

圖4　風擋抗鳥撞驗證流程

4結論

通過對風擋鳥撞適航條款CCAR 25.775(b)和25.775(c)條進行分析，結合某民用飛機鳥撞設計與驗證經驗，提出了滿足條款要求的具有可操作性的風擋鳥撞設計與驗證方法。該方法適用于民用運輸類飛機，也可擴展應用到軍用運輸類飛機上。

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A Verification Method of Bird-strike Resistance Airworthiness for Transport Category Airplane’s Windshield

He Si, Liu Cunxi

(The First Aircraft Design and Research Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

Abstract:Global bird-strike to aircraft is frequent every year, minimizing the impact on flight safety leaded by bird-impact damage is always pursued. Based on the deep understanding and analysis of the windshield bird-strike airworthiness requirements described in CCAR-25-R4 Transport Category Airplane Airworthiness Standards, as well as the engineering experience in a specific civil aircraft type, a detailed description of satisfying bird-strike airworthiness requirements in windshield design process is given. Finally, a set of feasible windshield resistance of bird-strike verification methods which satisfies the corresponding requirements is summarized, and a suggestion about the substantiation of MA700, a new airplane, is given.

Key words:transport category airplane; airworthiness; windshield; bird-strike; verification

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-03-10

通信作者：何思,yukikaze115@163.com

文章編號:1674-8190(2016)02-186-05

中圖分類號：V271.2; V328

文獻標識碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.02.008

作者簡介：

何思(1984-)，女，工程師。主要研究方向：結構、材料適航技術。

劉存喜(1965-)，男，研究員。主要研究方向：飛機適航技術、管理。

(編輯：趙毓梅)