波音737NG飛機(jī)雷達(dá)罩損傷分析和修理

胡耀平

摘要：基于波音737NG飛機(jī)雷達(dá)罩設(shè)計(jì)基本要求，對(duì)蜂窩夾層和泡沫夾層兩種類型雷達(dá)罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并參考波音維修手冊(cè)對(duì)常見損傷和修理方案進(jìn)行研究，以期對(duì)雷達(dá)罩實(shí)際運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供一定的指導(dǎo)，為航空公司節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞：波音737NG;雷達(dá)罩;蜂窩夾層;抗靜電;防雨蝕

1雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

雷達(dá)罩作為737NG飛機(jī)的重要組成部件，必須保持良好的電性能、氣動(dòng)外形以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這是雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本條件。波音737NG飛機(jī)雷達(dá)罩分為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和泡沫夾層結(jié)構(gòu)兩種類型。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩前端主要采用柔性芳綸紙蜂窩（Nomex）材料（俗稱紙蜂窩芯），其胞壁單元由芳綸紙和兩面浸潤(rùn)的酚醛樹脂組成，實(shí)質(zhì)是一種層合結(jié)構(gòu)材料，具有質(zhì)輕、介電性能好的優(yōu)點(diǎn)^[1]，后端為六邊形玻璃纖維蜂窩芯，這兩種材料都具有良好的透波性能。樹脂基體材料采用最常見的熱固性環(huán)氧樹脂材料，內(nèi)外蒙皮鋪層材料為增強(qiáng)玻璃纖維（俗稱玻璃鋼），膠膜材料則采用BMS5-129膠膜，其優(yōu)良的剝離強(qiáng)度可避免雷達(dá)罩蒙皮與芯體間脫膠。泡沫夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩與蜂窩夾芯雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)類似，主要區(qū)別在于前端芯材采用CMN2000硬質(zhì)PVC閉孔泡沫材料，這種閉孔結(jié)構(gòu)避免了濕氣的侵入和傳播。在力學(xué)性能方面，泡沫芯材的剪切強(qiáng)度明顯優(yōu)于蜂窩芯材，且此類型雷達(dá)罩生產(chǎn)商N(yùn)ORDAM公司宣稱該閉孔結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩能夠抗額外45%的沖擊載荷，同時(shí)因其介電性能與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相當(dāng)，所以綜合性能更好，C919飛機(jī)采用的就是新型的泡沫夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩。

由于737NG飛機(jī)雷達(dá)罩的材料均為不導(dǎo)電的復(fù)合材料，加上位于雷擊初始附著區(qū)域，在遭受雷擊后會(huì)引起復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度的顯著下降，并造成樹脂基體融化，引起分層、脫膠等結(jié)構(gòu)破壞，所以必須采取防雷擊設(shè)計(jì)來傳遞雷擊瞬時(shí)高電流，避免局部溫度過高，以降低對(duì)雷達(dá)罩復(fù)合材料的損傷。非金屬?gòu)?fù)合材料雷擊防護(hù)主要通過3種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)：表面火焰噴涂鋁涂層;表面粘接鋁箔或金屬網(wǎng);加裝導(dǎo)流條。由于前兩種措施在提高復(fù)合材料抗雷擊性能的同時(shí)卻產(chǎn)生了電磁屏蔽作用，而雷達(dá)罩對(duì)于透波率有極高的要求，因此目前737飛機(jī)主要采用第三種雷擊防護(hù)方式，在雷達(dá)罩的表面即夾層結(jié)構(gòu)的玻璃鋼蒙皮上加裝導(dǎo)流條，提供雷電附著點(diǎn)，并通過搭接板將雷電電流向飛機(jī)金屬殼體傳導(dǎo)，從而釋放高能量。為提供良好的電流傳遞通道，波音737NG雷達(dá)罩防雷擊設(shè)計(jì)要求導(dǎo)流條和金屬殼體間的電阻值必須小于30mΩ^[2]。

飛行中雷達(dá)罩與高速空氣摩擦?xí)a(chǎn)生并積累大量靜電，進(jìn)而造成屏蔽效應(yīng)和靜電放電，嚴(yán)重干擾雷達(dá)天線系統(tǒng)和其他無線電導(dǎo)航設(shè)備的正常運(yùn)行，在穿越云層時(shí)雨水也會(huì)對(duì)雷達(dá)罩產(chǎn)生一定的侵蝕作用，因此雷達(dá)罩必須具備一定的耐雨蝕、抗靜電等能力。盡管玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，但在耐雨蝕、抗靜電、耐磨性等方面的性能比較差。目前737NG飛機(jī)廣泛采用在雷達(dá)罩外表面涂刷多重保護(hù)性涂層的辦法來提高抗靜電與耐雨蝕能力，保護(hù)性涂層包含底漆、抗雨蝕漆、防靜電漆等。

當(dāng)高速雨滴撞擊樹脂基復(fù)合材料雷達(dá)罩時(shí)，材料的破壞主要表現(xiàn)為表層樹脂基體的剝落以及微裂紋的產(chǎn)生。在雨滴的反復(fù)沖擊下，雷達(dá)罩表面變得粗糙不平，雨滴沿微裂紋向內(nèi)滲透又進(jìn)一步使材料的電性能惡化^[3]。由于聚氨酯本身結(jié)構(gòu)的疏水性，通常聚氨酯漆層材料具有良好的常溫耐水性。抗靜電涂料是具有導(dǎo)電和排除積累靜電荷能力的功能性涂料，利用靜電的卸放效應(yīng)，將積聚在雷達(dá)罩表面的靜電荷及時(shí)卸放^[4]。按照設(shè)計(jì)要求，在施加涂層前應(yīng)先對(duì)表面進(jìn)行徹底清潔并確保沒有油漬，這是涂層形成良好附著力的基本條件，之后再施加表面涂層。

對(duì)于未安裝保護(hù)膜的雷達(dá)罩，涂層施工步驟為：1）整個(gè)雷達(dá)罩區(qū)域涂一層BMS 10-21 TYPE II或者TYPE IV防靜電漆，測(cè)量每平方（任何尺寸）的防靜電漆阻值必須在1～100MΩ之間;2）安裝6個(gè)導(dǎo)電條;3）遮蓋保護(hù)其他區(qū)域，在STA138.6-STA143.6位置垂直帶，按照步驟1）的要求涂第二層防靜電漆;4）遮蓋保護(hù)5in垂直帶，其余整個(gè)雷達(dá)罩位置涂0.3～0.8密耳BMS10-103、TYPE I底漆;5）整個(gè)雷達(dá)罩表面涂1.4～2.4密耳BMS10-60、TYPE Ⅱ色號(hào)為BAC707的灰搪瓷漆;6）整個(gè)雷達(dá)罩區(qū)域涂BMS10-72裝飾面漆或者AMS3095光面漆。

對(duì)于安裝了保護(hù)膜的雷達(dá)罩，由于保護(hù)膜可以替代一層BMS10-60、TYPEⅡ色號(hào)為BAC707的灰搪瓷漆，涂層施工的前三個(gè)步驟與未安裝保護(hù)膜的雷達(dá)罩相同，步驟4）為在整個(gè)雷達(dá)罩位置涂0.3～0.8密耳BMS10 -103、TYPE I底漆，步驟5）為在整個(gè)雷達(dá)罩表面涂1.4～2.4密耳BMS10-60、TYPE Ⅱ色號(hào)為BAC707的灰搪瓷漆，步驟6）為安裝雷達(dá)罩保護(hù)膜。

實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，許多航空公司為了節(jié)省成本，直接選用未加裝保護(hù)膜的雷達(dá)罩構(gòu)型，待飛機(jī)交付后返回運(yùn)營(yíng)基地時(shí)就直接安裝保護(hù)膜，勢(shì)必影響雷達(dá)信號(hào)的透波率，此行為值得商榷。

2雷達(dá)罩的允許損傷與修理

飛機(jī)雷達(dá)罩作為復(fù)合材料中的易損部件，實(shí)際使用中比較常見的損傷有腐蝕、分層、凹坑、刮擦、刻痕和穿孔等，對(duì)于雷達(dá)罩損傷常采用無損探傷方法來確定損傷尺寸。波音SRM手冊(cè)內(nèi)規(guī)定737NG雷達(dá)罩的允許損傷有5種：1）刻痕、刮傷等未造成玻璃纖維鋪層損傷;2）刻痕、刮傷、凹坑、分層、穿孔等造成纖維層損傷，但最大不超過1in²，距離其他損傷邊緣至少10in以上且距離雷達(dá)罩邊緣或緊固件邊緣至少2in;3）邊緣損傷寬度不超過1in，深度不超過0.25in;4）邊緣損傷寬度最大為1in，深度為0.25in;5）對(duì)于邊緣的雨蝕或者風(fēng)蝕，寬度不超過0.5in，損傷不超過3層玻璃纖維鋪層，且去除損傷后的邊緣距離緊固件孔中心至少為2D。對(duì)于允許損傷不超過一層鋪層材料的情況，可以采用Scotchbrand 853或Permacel P280等聚氨酯膜進(jìn)行臨時(shí)性密封，密封后每400飛行小時(shí)檢查聚氨酯膜，確保其處于完好狀態(tài)，并在5000飛行小時(shí)內(nèi)采用BMS 8-201、BMS 8-207或BMS 8-301環(huán)氧樹脂進(jìn)行永久性密封;對(duì)于允許損傷超過一層結(jié)構(gòu)鋪層的情況，必須在400飛行小時(shí)內(nèi)完成永久性修理。

對(duì)于737NG雷達(dá)罩，波音給出了一般的修理準(zhǔn)則：對(duì)于3層鋪層的蜂窩夾層雷達(dá)罩，如要求雷達(dá)罩能測(cè)風(fēng)切變，修理后歸為C類，必須測(cè)雷達(dá)電磁波透波率;如果沒有風(fēng)切變要求，按手冊(cè)修理后歸為D類，不需要測(cè)透波率;對(duì)于4層鋪層的蜂窩夾層雷達(dá)罩或泡沫夾層雷達(dá)罩，按手冊(cè)修理后被歸為C類，不需要測(cè)透波率。不過，雷達(dá)罩修理后、噴漆貼膜且安裝導(dǎo)電條后必須進(jìn)行透波率測(cè)試。若連續(xù)掃描時(shí)電磁窗口平均透波率大于84%且每點(diǎn)最小透波率大于78%，歸為C類雷達(dá)罩;若平均透波率大于80%且每點(diǎn)最小透波率大于75%，歸為D類雷達(dá)罩。修理完成后如想了解修理后的雷達(dá)罩的具體類別，可以按照RTCA-D0-213中標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)2.4.7.1測(cè)透波率。

對(duì)于雷達(dá)罩損傷修理，按照修理類型可分為永久性修理和臨時(shí)性修理，按照修理材料類型又可以分為濕鋪層修理和預(yù)浸料修理。預(yù)浸料修理固化溫度為250°F （121℃），其修理方案類型均為永久性修理。濕鋪層修理分為室溫固化、150°F （66℃）固化和200°F（93℃）固化，由于室溫固化不能恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，所以室溫固化均為臨時(shí)性修理;150°F固化修理作為永久性修理方案時(shí)對(duì)尺寸和同類型的修理補(bǔ)片數(shù)量有嚴(yán)格的限制，超出限制條件時(shí)均為臨時(shí)性修理，根據(jù)SRM手冊(cè)，臨時(shí)性修理的壽命均為4000飛行循環(huán)，且每400飛行循環(huán)必須對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行敲擊測(cè)試以確保沒有分層或者脫膠;200°F濕鋪層固化修理均為永久性修理方案且無其他限制條件，實(shí)際損傷修理中推薦使用熱補(bǔ)儀進(jìn)行濕鋪層200°F固化修理，如果航材具備時(shí)使用250°F預(yù)浸料固化修理能更好地恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性。

常見的修理形式有單面板修理、單面板和蜂窩夾心修理、雙面板和蜂窩夾心修理、邊帶修理以及單純浸水修理。下面以雷達(dá)罩穿孔（蜂窩夾層損壞）進(jìn)行濕鋪層200°F固化修理時(shí)的相關(guān)要點(diǎn)為例作簡(jiǎn)要分析。修理時(shí)必須制作模具以使修理區(qū)域保持原始輪廓，嚴(yán)格執(zhí)行去濕和表面清潔程序，這是保持良好的膠結(jié)強(qiáng)度的基本條件。抽真空時(shí)應(yīng)保持真空度至少為22inHg去除真空源后，真空表讀數(shù)5min內(nèi)下降不能超過5inHg。在整個(gè)修理過程中，溫度是至關(guān)重要的因素，只有在合適的固化溫度條件下，才能保持最大的粘結(jié)性能。材料類型、厚度以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，均會(huì)導(dǎo)致修理區(qū)域溫度存在偏差。在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩的修理中，容易出現(xiàn)溫差的典型位置為蜂窩區(qū)與裝配區(qū)的過渡，由于蜂窩芯格中充滿空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，因此蜂窩區(qū)溫度變化慢^[5]。本修理采用二次固化，第一次鋪層材料和芯體共固化時(shí)，模具支撐一側(cè)必須安裝電熱毯，以最大程度減少蜂窩區(qū)或泡沫夾層區(qū)溫差，同時(shí)嚴(yán)格按照層壓樹脂BMS 8-301、Class 1固化曲線進(jìn)行，開始加熱時(shí)保持最多每分鐘1°F～3°F的上升率，到達(dá)220°F后保持至少220min，然后以最大不超過每分鐘5°F的速率下降。為保持修理后雷達(dá)罩透波率要求，修理時(shí)不要增加附加鋪層或者打磨層，整個(gè)修理材料的鋪設(shè)嚴(yán)格按照?qǐng)D1執(zhí)行。

3雷達(dá)罩日常維護(hù)

盡管雷達(dá)罩表面噴涂防護(hù)涂層，但實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中仍發(fā)現(xiàn)由于漆層結(jié)合不牢或其他外來顆粒撞擊導(dǎo)致涂層剝落的情況。如果沒有及時(shí)處理，會(huì)使鋪層材料暴露在空氣中，日積月累的磨損將導(dǎo)致鋪層損傷或者蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)水。因此，日常維護(hù)中一旦檢查發(fā)現(xiàn)雷達(dá)罩漆層損傷，必須按照手冊(cè)要求及時(shí)恢復(fù)防護(hù)涂層，以免造成雷達(dá)罩復(fù)合材料進(jìn)一步的損傷。在噴涂防護(hù)涂層時(shí)，如果漆層厚度超過規(guī)定值0.010in就會(huì)造成傳輸率的下降，如果過薄又會(huì)降低防護(hù)作用，因此必須嚴(yán)格按照手冊(cè)工藝執(zhí)行。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，安裝保護(hù)膜盡管在防雨蝕能力和抗細(xì)小砂石沖擊能力方面更加顯著，但是對(duì)于雷擊檢查卻起到了不小的掩蓋作用。對(duì)此波音給出了明確的建議，即雷達(dá)罩如果安裝保護(hù)膜，當(dāng)檢查雷達(dá)罩發(fā)現(xiàn)有雷擊損傷跡象時(shí)，則必須揭除保護(hù)膜，對(duì)損傷區(qū)域和底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)目視檢查和敲擊測(cè)試檢查，查看是否有分層或脫膠現(xiàn)象，然后更換新的雷達(dá)罩保護(hù)膜。不揭除保護(hù)膜將無法通過敲擊測(cè)試辨別音質(zhì)的方法確定是否有損傷。雷達(dá)罩復(fù)合材料對(duì)沖擊損傷比較敏感，砂石，冰雹、鳥擊等因素會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)罩內(nèi)部分層、脫膠等，進(jìn)而造成雷達(dá)罩剩余強(qiáng)度大大降低。如果損傷未及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩蜂窩大面積進(jìn)水，極大影響透波率。鑒于雷達(dá)罩容易損傷的特點(diǎn)，日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)雷達(dá)罩的例行檢查，在發(fā)現(xiàn)雷達(dá)罩出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)處理才能最大程度地避免或減輕雷達(dá)罩的損傷或蔓延。在航空公司引進(jìn)737NG飛機(jī)時(shí)，建議可以優(yōu)先考慮泡沫夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩，因其相對(duì)于蜂窩結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩來說力學(xué)性能更好，同時(shí)因其芯材的閉孔特性，水汽難以進(jìn)入，可大大減少雷達(dá)罩的維修次數(shù)，有效減少飛機(jī)的AOG停場(chǎng)，從而為航空公司節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

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