運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航專用條件應(yīng)用研究

高遠(yuǎn)，馬立敏

(1.中國民用航空上海航空器適航審定中心 航空器評審室，上海 200335)(2.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心 強(qiáng)度分析技術(shù)研究部，北京 102211)

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運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航專用條件應(yīng)用研究

高遠(yuǎn)1，馬立敏2

(1.中國民用航空上海航空器適航審定中心 航空器評審室，上海 200335)(2.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心 強(qiáng)度分析技術(shù)研究部，北京 102211)

相比于傳統(tǒng)金屬材料，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的大量使用不僅給飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造帶來了挑戰(zhàn)，也給飛機(jī)的適航取證帶來了諸多難題。從運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)五個重點(diǎn)適航專用條件入手，對相關(guān)專用條件建立的原因、要求以及符合性驗(yàn)證的要點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用研究。本文的研究工作可為未來國產(chǎn)復(fù)合材料飛機(jī)適航審定和進(jìn)口復(fù)合材料航空器型號認(rèn)可提供參考和借鑒。

運(yùn)輸類飛機(jī)；復(fù)合材料；適航；專用條件

0 引 言

先進(jìn)復(fù)合材料在民用運(yùn)輸類飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)80年代，通過適航審定，復(fù)合材料被首先應(yīng)用于空客A310/A300飛機(jī)的垂直安定面[1]。相比于傳統(tǒng)鋁合金材料，先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性、力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的使用比例呈逐年增長的趨勢，如圖1所示[2]。最新一代的波音B787和空客A350飛機(jī)，復(fù)合材料的使用比例分別達(dá)到了50%和53%，它們的機(jī)翼盒段及機(jī)身桶段主要采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制造[3-4]。國內(nèi)，ARJ21支線飛機(jī)仍以金屬材料為主，新一代C919干線飛機(jī)則使用了12%的復(fù)合材料，有業(yè)內(nèi)專家透露，未來國產(chǎn)寬體飛機(jī)計(jì)劃將增加復(fù)合材料的應(yīng)用比例到51%左右[5]。如今，復(fù)合材料的使用量已經(jīng)成為評價民用飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)，也是航空制造企業(yè)博弈的重要砝碼。

圖1 復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的使用比例

得益于復(fù)合材料的大量應(yīng)用，新一代民用飛機(jī)變得更輕、舷窗更大、艙內(nèi)環(huán)境更舒適。然而，復(fù)合材料的大量應(yīng)用不僅給傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)及制造帶來了巨大挑戰(zhàn)，也給飛機(jī)的適航取證帶來了諸多難題。

本文選取運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航認(rèn)證所面臨的五個重點(diǎn)問題，研究相關(guān)專用條件建立的原因、要求以及符合性驗(yàn)證的要點(diǎn)，以期為未來國產(chǎn)大飛機(jī)的適航取證和進(jìn)口航空器型號認(rèn)可提供參考。

1 復(fù)合材料的使用對適航取證的影響

中國民航規(guī)章CCAR-21部第16條定義“專用條件”為：對提交進(jìn)行型號合格審定的民用航空產(chǎn)品，由于下述原因之一使得有關(guān)的適航規(guī)章沒有包括充分或者適用的安全要求，由民航總局適航部門制定并頒發(fā)專用條件：

(1) 民用航空產(chǎn)品具有新穎或獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；

(2) 民用航空產(chǎn)品的預(yù)期用途是非常規(guī)的；

(3) 從使用中的類似民用航空產(chǎn)品或具有類似設(shè)計(jì)特點(diǎn)的民用航空產(chǎn)品得到的經(jīng)驗(yàn)表明，可能產(chǎn)生不安全狀況。

專用條件應(yīng)當(dāng)具有與適用的適航規(guī)章等效的安全水平[6]。

復(fù)合材料的大量使用常會使新的航空器具備一些較傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)航空器新穎或獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)(Novel or Unusual Design Features)，致使現(xiàn)有的適航規(guī)章不能提供針對上述設(shè)計(jì)特點(diǎn)充分或者適用的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此需要通過建立專用條件來保證航空器的等效安全水平(Equivalent Level of Safety)。專用條件是對現(xiàn)有適航規(guī)章的補(bǔ)充或者替代，它具有同等的法律效力。若某個專用條件不僅僅只適用于某單個航空器產(chǎn)品，即該專用條件被認(rèn)為普遍適用于大范圍的其他航空器產(chǎn)品，則在保證現(xiàn)有的安全水平不會下降的前提下，適航當(dāng)局有可能會修改現(xiàn)有的適航規(guī)章以適應(yīng)新的普遍性現(xiàn)象[1]。

以前，復(fù)合材料在民用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的使用僅局限于水平尾翼和垂直尾翼部件，與傳統(tǒng)的金屬飛機(jī)相比，其在設(shè)計(jì)上的變化并不大，故在型號合格審定過程中，只有少數(shù)用于表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)符合性的專用條件，且現(xiàn)有的咨詢通告(例如AC 20-107B)就能很好地提供契合的符合性方法[1,7]。然而，隨著波音B787和空客A350等新一代民用飛機(jī)的推出，復(fù)合材料被大量應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼以及油箱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的規(guī)章和咨詢通告已無法提供充分或適用的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，各國適航當(dāng)局頒布了諸如飛行中火災(zāi)、適墜性、燃油箱碎片擊穿等一系列針對性的專用條件。相關(guān)專用條件不僅對飛機(jī)的適航審定具有重要影響，對飛機(jī)設(shè)計(jì)的影響則更為直接，開展運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相關(guān)專用條件應(yīng)用研究具有重要意義。

2 運(yùn)輸類飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航重點(diǎn)專用條件

本文主要參考FAA針對波音B787飛機(jī)適航審定所建立的與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相關(guān)的五個重點(diǎn)專用條件，研究相關(guān)專用條件建立的原因、要求以及符合性驗(yàn)證的要點(diǎn)[8]。鑒于CCAR-25部源自FAR 25部，故以FAR 25部作為研究參考[9-10]。

2.1 墜撞應(yīng)急著陸

飛機(jī)的適墜性主要取決于機(jī)身的沖擊響應(yīng)特性。FAR關(guān)于應(yīng)急著陸的條款25.561和25.562對飛機(jī)的應(yīng)急著陸情況作了明確要求[9]。上述條款的頒布和修正是基于機(jī)隊(duì)的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究和試驗(yàn)，反映了傳統(tǒng)鋁合金機(jī)身飛機(jī)墜撞應(yīng)急著陸的可生存性要求[11]。其中最著名的試驗(yàn)研究是FAA主導(dǎo)的B737飛機(jī)機(jī)身桶段垂直墜撞試驗(yàn)，如圖2所示，其過程詳見文獻(xiàn)[12]。

圖2 B737機(jī)身桶段垂直墜撞試驗(yàn)

復(fù)合材料具有不同的延展性、剛度、失效模式和吸能特性。目前被大量應(yīng)用于新一代復(fù)合材料飛機(jī)主結(jié)構(gòu)的CFRP材料，比傳統(tǒng)鋁合金材料更“脆”，幾乎不發(fā)生塑性變形，即其吸能特性較差，因此，一些業(yè)內(nèi)專家對波音B787飛機(jī)的適墜性有所質(zhì)疑[13]。另外，復(fù)合材料層壓板復(fù)雜的失效模式也給有限元數(shù)值仿真分析帶來了巨大困難。從工程角度看，復(fù)合材料機(jī)身對飛機(jī)的適墜性帶來的挑戰(zhàn)是顯而易見的。

從適航角度考慮，為了保證復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)的等效安全水平，評估飛機(jī)墜撞應(yīng)急著陸情況下的可生存性，應(yīng)注意以下四個重要指標(biāo)[7]：

(1) 在發(fā)生墜撞時，乘員必須能免受由于質(zhì)量件(如艙頂行李箱)松脫所造成的傷害；

(2) 在發(fā)生墜撞時，必須保證有供乘員逃生的應(yīng)急疏散通道；

(3) 在發(fā)生墜撞時，乘員所遭受的加速度和載荷不能超過臨界值；

(4) 在發(fā)生墜撞時，必須保證有供乘員生存的空間。

在現(xiàn)有的規(guī)章中，除25.561和25.562外，25.721、25.785、25.789、25.803、25.809、25.810、25.813等條款中也包含與應(yīng)急著陸性能相關(guān)的其他要求。

已有的經(jīng)驗(yàn)和研究表明，影響飛機(jī)適墜性的關(guān)鍵因素為垂直方向的沖擊響應(yīng)特性。乘員在垂直方向遭受的過載主要受機(jī)身本身的沖擊響應(yīng)特性和垂直沖擊速度的影響。值得注意的是，在現(xiàn)有條款中，并沒有對乘員自身所受載荷和機(jī)身下降速度作出明確要求，原因是傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明(傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)在發(fā)生墜撞事故時其機(jī)身結(jié)構(gòu)通常具有很好的墜撞性能)沒有必要對飛機(jī)級的適墜性制定標(biāo)準(zhǔn)[11]。因此，對于復(fù)合材料機(jī)身，現(xiàn)有的規(guī)章并不充分和適用，必須通過建立專用條件并按照上述四個重要指標(biāo)驗(yàn)證其在墜撞應(yīng)急著陸情況下的可生存性。

雖然現(xiàn)有的適航規(guī)章中并沒有對機(jī)身的垂直墜撞速度作出要求，但是按照以往的試驗(yàn)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)AA用于驗(yàn)證飛機(jī)適墜性試驗(yàn)的最大垂直速度為30 ft/sec(1 ft/sec=0.304 8 m/s)，當(dāng)然，經(jīng)適航當(dāng)局認(rèn)可后，也可以采用其他合理的垂直速度[11]。對于乘員所遭受的加速度和載荷臨界值的定義可以參考文獻(xiàn)[14]，乘員的臨界加速度承受能力如表1所示。

表1 人體可承受過載極限

2.2 墜撞后復(fù)合材料機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)防火

FAR 25.963“燃油箱總則”條款是基于傳統(tǒng)鋁合金油箱結(jié)構(gòu)建立的，大量的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)及全尺寸試驗(yàn)表明，鋁合金油箱結(jié)構(gòu)具有良好的墜撞后防火性能[9,15]。例如，韓亞航空的一架波音B777飛機(jī)在墜撞后其機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)依然完好，如圖3所示。

圖3 韓亞航空214航班舊金山機(jī)場空難現(xiàn)場

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)金屬飛機(jī)墜撞后發(fā)生火災(zāi)的類型主要是外部燃油火災(zāi)。對于翼吊式發(fā)動機(jī)，其機(jī)翼油箱和中央翼油箱均靠近乘客區(qū)和發(fā)動機(jī)區(qū)，墜撞后的可生存性在很大程度上受上述區(qū)域火災(zāi)規(guī)模和強(qiáng)度的影響。載有內(nèi)部燃油的鋁合金機(jī)翼的墜撞后火災(zāi)性能已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，受燃油浸濕的鋁合金油箱蒙皮具有很好的散熱性和導(dǎo)熱性，能夠避免局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)，從而降低了爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。鋁合金優(yōu)良的導(dǎo)熱性還能使機(jī)翼下蒙皮在發(fā)生地面燃油火災(zāi)時保持結(jié)構(gòu)的完整性，延緩了蒙皮坍塌或者被燒穿的時間，且通常大于應(yīng)急撤離所需要的時間。另外，對于載有大量燃油的鋁合金油箱在受熱時，缺量空間的燃油蒸汽會迅速積聚并超過可燃性上限，降低了油箱被燒穿前的油箱爆炸風(fēng)險(xiǎn)。由于鋁合金機(jī)翼的上述優(yōu)良特性，傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)在發(fā)生地面火災(zāi)時導(dǎo)致燃油箱爆炸的情況非常少見[15]。

由于鋁合金的固有特性，使得按照現(xiàn)有適航規(guī)章設(shè)計(jì)和制造的鋁合金油箱結(jié)構(gòu)飛機(jī)具有符合規(guī)章要求的安全性水平。鑒于傳統(tǒng)鋁合金油箱結(jié)構(gòu)飛機(jī)在外部燃油火災(zāi)下的良好服役經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有的適航規(guī)章中并沒有針對機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)在墜撞后發(fā)生火災(zāi)情況下的相關(guān)要求[9]。然而，對于機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合材料制造的飛機(jī)(例如波音B787)，沒有充分的服役經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其在墜撞后發(fā)生火災(zāi)的情況下機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)的安全性水平，因此，現(xiàn)有的適航條款并不充分，必須通過建立專用條件，并通過試驗(yàn)和分析證明復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)在墜撞后發(fā)生外部燃油火災(zāi)的情況下，具有不低于傳統(tǒng)鋁合金油箱結(jié)構(gòu)的安全水平。

關(guān)于復(fù)合材料防火、可燃性問題的一般要求為：“關(guān)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可燃性和防火性要求是試圖將乘客在發(fā)生可燃性材料、液體或者氣化物點(diǎn)燃時受到的傷害最小化。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用不能降低現(xiàn)有的安全水平”(AC 20-107B)[7]。對于機(jī)翼結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生墜撞后火災(zāi)時，在油箱破損或者結(jié)構(gòu)失效(地面燃油火災(zāi)引起的機(jī)翼結(jié)構(gòu)承載能力的喪失和油箱內(nèi)部燃油氣體爆炸均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效)之前，必須能夠提供足夠的可供乘員逃生的時間[15]。

為了保證復(fù)合材料機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)在墜撞后發(fā)生火災(zāi)情況下的等效安全水平，該專用條件必須包含以下三個重點(diǎn)要求[15]：

(1) 墜撞后機(jī)翼和油箱的結(jié)構(gòu)完整性；

(2) 機(jī)翼下蒙皮的抗燒穿性；

(3) 墜撞后火災(zāi)情況下的燃油箱可燃性風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)FAA AC 20-135條款的要求，在溫度達(dá)2 000 ℉(約1 093 ℃)的火勢下，鋁合金油箱結(jié)構(gòu)必須保證5 min內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性。該指標(biāo)也可作為驗(yàn)證復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)耐火性的要求，在驗(yàn)證時必須考慮從最小燃油量到最大燃油量以及其他關(guān)鍵燃油量的情況[16]。

2.3 復(fù)合材料機(jī)身飛行中阻燃性

對于傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)在飛行中發(fā)生火災(zāi)的情況，最危險(xiǎn)的是萌生于飛機(jī)隔熱/隔聲材料所在的非可達(dá)區(qū)域，并在其與鋁合金蒙皮之間的通道蔓延、增長的火焰。雖然FAR 25.853(a)、25.855(d)和25.856條款已對此類隔熱/隔聲材料自身的抗火焰燒穿性能作出了明確要求，但在實(shí)際發(fā)生的事件中，通常會有意外的火焰沿著隔熱/隔聲材料表面的絕緣薄膜蔓延[9,17]。此類事件多是由短路等電氣源引起的，例如日本航空公司的波音B787飛機(jī)由于鋰電池起火而導(dǎo)致停飛，如圖4所示。

圖4 日本航空公司B787飛機(jī)著火事故

已有大量試驗(yàn)和服役經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的鋁合金機(jī)身對于火焰的蔓延沒有積極作用[17]，因此，現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)鋁合金機(jī)身所頒布的適航條款并沒有對機(jī)身結(jié)構(gòu)在飛行中發(fā)生火災(zāi)的防護(hù)性能作出要求。但對于復(fù)合材料機(jī)身飛機(jī)而言，由于沒有歷史服役經(jīng)驗(yàn)和充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其具有適當(dāng)?shù)陌踩?，即現(xiàn)有的適航規(guī)章并不充分，必須通過建立專用條件以保證其等效安全水平。

該專用條件應(yīng)包含以下三個重點(diǎn)要求[17]：

(1) 隔熱/隔聲層具有滿足FAR 25.856條款所規(guī)定的阻燃性能；

(2) 復(fù)合材料機(jī)身具有阻止火焰蔓延的能力；

(3) 復(fù)合材料機(jī)身燃燒產(chǎn)物的毒性在可接受的水平。

申請人必須通過有效的試驗(yàn)和分析來表明復(fù)合材料機(jī)身在上述火焰情況下對該專用條件的符合性，以證明其具有等效的安全水平。

2.4 油箱結(jié)構(gòu)防輪胎碎塊擊穿

歷史上曾發(fā)生過多起因輪胎碎塊或非包容性引擎失效而導(dǎo)致機(jī)翼下翼面被擊穿致使燃油泄漏進(jìn)而造成火災(zāi)的事故。其中，最為人熟知的是發(fā)生在2000年的法國航空“協(xié)和號”客機(jī)事件(如圖5所示)，該飛機(jī)起飛過程中由于跑道異物致使輪胎破損，輪胎碎塊隨即擊中了機(jī)翼下翼面，雖然受沖擊處的蒙皮并未破損，但沖擊形成的壓力波卻使得油箱的另一側(cè)發(fā)生撕裂并泄漏，引發(fā)災(zāi)難。事故發(fā)生后，監(jiān)管機(jī)構(gòu)停飛了所有“協(xié)和號”客機(jī)，并要求所有飛機(jī)必須進(jìn)行改裝以提升機(jī)翼油箱的抗沖擊性能。

圖5 法國航空“協(xié)和號”客機(jī)失事

類似的事故還有：1984年，在夏威夷火奴魯魯國際機(jī)場，一架波音B747飛機(jī)由于終止起飛導(dǎo)致輪胎爆裂，輪胎碎塊擊穿了油箱口蓋，導(dǎo)致大量燃油泄漏，所幸并未發(fā)生火災(zāi)；1985年，英國曼徹斯特的一架波音B737飛機(jī)發(fā)生了燃油箱口蓋被發(fā)動機(jī)碎片擊穿事故，該事故發(fā)生后，F(xiàn)AA對25.963條款作了修訂，要求油箱口蓋必須能保證不被輪胎碎塊和發(fā)動機(jī)碎片擊穿[18]。上述兩起事故反映了當(dāng)時的適航規(guī)章在燃油箱口蓋受外來物沖擊要求方面的缺失。由于傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)已表明其下翼面蒙皮具有適當(dāng)?shù)墓逃衅焚|(zhì)能夠抵御諸如輪胎和發(fā)動機(jī)碎片等高速物件的沖擊，所增加的條款25.963(e)只涉及對油箱口蓋的要求，并沒有針對口蓋區(qū)域附近機(jī)翼蒙皮的要求[9,18]。FAA AC 25.963-1特別指出，油箱口蓋不需要比周邊油箱結(jié)構(gòu)更具耐沖擊性，這突出了一個假設(shè)——機(jī)翼基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足了更高的標(biāo)準(zhǔn)[19]。

復(fù)合材料的抗沖擊性能比鋁合金材料差，因此，對于復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)鋁合金飛機(jī)的適航規(guī)章并不充分和適用。為了保證其具備與傳統(tǒng)金屬油箱結(jié)構(gòu)等效的安全水平，可以通過建立專用條件，從以下方面表明其等效安全水平[18-19]：

(1) 在輪胎旋轉(zhuǎn)平面兩側(cè)±30°內(nèi)的油箱結(jié)構(gòu)或者油箱系統(tǒng)元件，在遭受輪胎碎塊沖擊時，不能被擊穿，或者出現(xiàn)會導(dǎo)致有害燃油泄漏的油箱結(jié)構(gòu)變形、破裂或裂縫。有害燃油泄漏是指持續(xù)泄漏、滴漏，或者是在被擦干15 min后會致使飛機(jī)表面超過6 in(1 in=25.4 mm)長度或直徑浸濕面積的泄漏。以上泄漏評估必須在最大燃油壓頭壓力下進(jìn)行。

(2) 必須通過分析或試驗(yàn)，假設(shè)在如下所有情形下，證明符合條件(1)的要求：

①輪胎碎塊為輪胎質(zhì)量的1%；

②輪胎碎塊的速度為在飛機(jī)飛行手冊中規(guī)定的抬頭速度(最大總重下的vR)時的胎面切線速度；

③輪胎碎塊的沖擊載荷作用面積為總胎面面積的1.5%。

(3) 對于受大于條件(2)中所述的輪胎碎塊沖擊而導(dǎo)致的燃油泄漏，不能使受沖擊區(qū)的任何區(qū)域出現(xiàn)危險(xiǎn)量的燃油泄漏至發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口、APU進(jìn)氣口或者客艙空氣進(jìn)氣口。必須通過試驗(yàn)或分析，或者兩者結(jié)合，證明在經(jīng)批準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)正向推力條件和反向推力條件下均滿足上述要求。

2.5 防油箱油氣點(diǎn)燃的油箱結(jié)構(gòu)閃電防護(hù)

關(guān)于復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)的閃電防護(hù)，F(xiàn)AA不僅對波音B787飛機(jī)建立了專用條件，也對空客A350飛機(jī)建立了同樣的專用條件[20]。由于復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)并不具備導(dǎo)電性能，必須通過其他設(shè)計(jì)來保證該結(jié)構(gòu)具有與傳統(tǒng)鋁合金油箱結(jié)構(gòu)同等的閃電防護(hù)性能。FAR 25.581“閃電防護(hù)”條款指出，對于非金屬部件可通過采用能使電流分流的措施來表明對25.581(a)條款的符合性[9]。在實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中，為了保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的閃電防護(hù)性能，通常會采用鋪貼銅網(wǎng)等設(shè)計(jì)方法[20]。

FAR 25.981(a)條款的第(3)條是最具挑戰(zhàn)性的針對燃油箱防點(diǎn)燃的適航條款，該條款針對不得存在點(diǎn)火源所要求的多重容錯設(shè)計(jì)或者三重冗余設(shè)計(jì)，意味著即使同時出現(xiàn)兩個獨(dú)立失效，也必須保證不能出現(xiàn)點(diǎn)火源[20-21]。FAA自2008年發(fā)布該針對油箱結(jié)構(gòu)閃電防護(hù)要求的條款后，卻在實(shí)施型號合格審定過程中無法實(shí)現(xiàn)，且同樣的問題也出現(xiàn)在對波音B787飛機(jī)型號合格審定的過程中[21]。為了保證油箱結(jié)構(gòu)在被閃電擊中的情況下不會出現(xiàn)點(diǎn)火源，需要對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行電搭接設(shè)計(jì)，然而，結(jié)構(gòu)連接件和緊固件電搭接設(shè)計(jì)的有效性和容錯性通常取決于那些不能被有效檢查到或者無損檢測到的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，例如安裝后的緊固件螺桿和孔的干涉配合、嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的金屬箔或者金屬網(wǎng)、緊固件端頭帽型密封等，并且這類設(shè)計(jì)特點(diǎn)的潛在失效很難被檢查到。由于該條款并不實(shí)用，F(xiàn)AA正在考慮對其進(jìn)行進(jìn)一步修訂[21]。

針對25.981條款中燃油箱易燃性暴露的要求，波音B787飛機(jī)采用的NGS(Nitrogen Gas System)燃油箱惰化系統(tǒng)能夠保證機(jī)隊(duì)的平均油箱易燃性遠(yuǎn)低于條款中所規(guī)定的要求。關(guān)于降低燃油箱系統(tǒng)易燃性措施(FRM)的要求在FAR 25部附錄M中有詳細(xì)說明。FAA認(rèn)為，波音B787飛機(jī)的NGS系統(tǒng)使得對于油箱始終處于可燃性的假設(shè)不再是必要的，該假設(shè)是25.981(a)(3)條款的前提。因此，25.981(a)(3)條款對波音B787飛機(jī)并不適用，必須建立專用條件以保證該機(jī)具有等效的安全水平[21]。

對于其他具有復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，與波音B787類似，也可在鋪設(shè)銅網(wǎng)等電搭接設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過采用類似NGS系統(tǒng)的燃油箱惰化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到降低燃油箱易燃性暴露水平的目的。除了因?yàn)樯鲜鲈蛐枰Ｓ脳l件以保證具有法律意義的符合性外，申請人還可以向適航當(dāng)局申請對相關(guān)條款的“豁免”。關(guān)于專用條件和豁免之間的區(qū)別，適航規(guī)章里已有明確說明，本文不再贅述。

3 結(jié)束語

復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的大量使用使得飛機(jī)具有新穎或獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，但卻造成現(xiàn)有適航規(guī)章存在不充分和不適用的情況，建立專用條件作為對現(xiàn)有適航規(guī)章的補(bǔ)充或者替代，其目的是為了保證復(fù)合材料飛機(jī)具有不低于現(xiàn)有適航規(guī)章要求的安全水平，它具有同等的法律意義。經(jīng)適航當(dāng)局批準(zhǔn)的專用條件將作為型號合格審定基礎(chǔ)的一部分貫穿整個適航審定過程，并將被列入型號合格證/型號設(shè)計(jì)批準(zhǔn)書數(shù)據(jù)單(TCDS)。

對比歐美發(fā)達(dá)國家，我國在復(fù)合材料飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造方面還相對落后，復(fù)合材料在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的使用還僅局限于尾翼部分。開展對復(fù)合材料相關(guān)專用條件的研究除了對飛機(jī)順利通過適航審定具有一定意義，更重要的是其將對飛機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生根本影響，對于專用條件要求的貫徹也必須在設(shè)計(jì)初期予以考慮。另外，開展復(fù)合材料基礎(chǔ)研究和材料體系建設(shè)是開展飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。

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(編輯：馬文靜)

Research of the Application on Transport-category Aircraft Composite Structure Related to Airworthiness Special Conditions

Gao Yuan1, Ma Limin2

(1.AEG Department， Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)(2.Stress Analysis Research Department, Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute, Beijing 102211, China)

Compared with traditional metallic material, the introducing of composites brings significant challenges to traditional aircraft design and manufacture process, as well as the airworthiness certification of the aircraft. Focused on five key special conditions(SC) of transport category aircraft composite structure, the reason of establishing the SC, its requirements, and the key points of compliance verification are researched in detail. The research achievements can be the reference for the airworthiness certification of future home-made composite aircraft and verification of type certificate of imported composite aircraft.

transport category aircraft; composite structure; airworthiness; special condition(SC)

2016-08-29；

2016-10-21

高遠(yuǎn),gaoyuan_saacc@outlook.com

1674-8190(2016)04-496-07

TB332

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.016

高 遠(yuǎn)(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：民用航空器適航工程。

馬立敏(1984-)，男，博士，工程師。主要研究方向：材料工程、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。