民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制方法研究

劉愛(ài)平 林仁偉 陳壁茂

摘要：在深入解讀波音787、空客A350飛機(jī)修理手冊(cè)不離位（以下統(tǒng)稱(chēng)在位）修理相關(guān)章節(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合波音787大翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)某類(lèi)修理工作，研究開(kāi)發(fā)出一種用于民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制的方法。該方法經(jīng)過(guò)多次修理驗(yàn)證有效，較好地滿(mǎn)足了波音787復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理工藝要求。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；在位修理；環(huán)境控制方法；溫度；濕度；空氣懸浮粒子濃度

Keywords： aircraft composite structure；in-site repair；environmental control method；temperature；humidity；airborne particle count per cubic foot

0 引言

現(xiàn)代新型民用飛機(jī)如波音787、空客A350廣泛采用復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，其用量已超過(guò)整機(jī)質(zhì)量的50%（見(jiàn)圖1、圖2）。兩大機(jī)型的重要結(jié)構(gòu)如機(jī)身蒙皮、大翼翼盒（wing box）、水平安定面主扭力盒（main torque box）等均使用了復(fù)合材料。隨著波音787、空客A350投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理日益增多。一旦復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航線(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受損，必須考慮在位修理問(wèn)題。重要結(jié)構(gòu)修理對(duì)環(huán)境要求很高，但波音、空客飛機(jī)的復(fù)合材料在位修理只在修理手冊(cè)里提供了技術(shù)指標(biāo)，沒(méi)有提供操作性強(qiáng)的方法，這給各航空公司造成了極大困擾。

本文結(jié)合波音787大翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)某類(lèi)修理工作的需要，研究開(kāi)發(fā)了一種用于民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制方法，可有效控制飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理的環(huán)境，較好地提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理質(zhì)量。

1 民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制方法的現(xiàn)狀

波音787、空客A350復(fù)合材料結(jié)構(gòu)使用的部位及修理方式與老一代機(jī)型不同，老一代機(jī)型中復(fù)合材料為次要結(jié)構(gòu)，其受損不會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)安全運(yùn)行，而新機(jī)型中復(fù)合材料已在重要結(jié)構(gòu)上使用，其受損可能影響甚至危及飛行安全。在修理方式上，老一代機(jī)型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多可拆卸，可以離位[1]送到車(chē)間潔凈室進(jìn)行修理，而波音787、空客A350復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多為整體成型，大部分不可拆下修理。

在民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中，合理的修理環(huán)境對(duì)修理質(zhì)量的影響非常大，修理環(huán)境中的溫度、濕度以及空氣懸浮粒子濃度會(huì)影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理后的力學(xué)強(qiáng)度，如果這三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)不到要求，修理區(qū)域復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)件就不能恢復(fù)結(jié)構(gòu)損失的承載能力，修理質(zhì)量也就達(dá)不到適航要求的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是，波音787、空客A350在重要結(jié)構(gòu)上使用復(fù)合材料，如果修理環(huán)境達(dá)不到工藝要求，導(dǎo)致的修理質(zhì)量問(wèn)題可能影響甚至危及飛行安全。

民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理位置的復(fù)雜性給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制方法的研究增加了困難?？v觀國(guó)內(nèi)外民用飛機(jī)維修行業(yè)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制方法均處于探索階段，未見(jiàn)提出有效的控制方法和控制手段。

2 民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理環(huán)境工藝要求

目前，民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)（SRM）給出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層修理區(qū)（包括潔凈室和潔凈區(qū)）關(guān)于環(huán)境工藝的基本要求[2-4]，但未提供操作性強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境控制的方法。例如，波音787修理手冊(cè)中關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層修理區(qū)的環(huán)境工藝基本要求為：溫度4℃～32℃，相對(duì)濕度<65%，空氣懸浮粒子濃度為直徑>0.5μm、顆粒數(shù)<400000/ft3，如圖3所示。又如，空客A350修理手冊(cè)中關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層修理區(qū)的環(huán)境工藝基本要求為：使用兩種特殊環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料（件號(hào)HexPly M20/34%/194/ IM7-12K和HexPly M20/34%/134/IM7-12K）時(shí)，溫度18℃～27℃，相對(duì)濕度20%～70%，空氣懸浮粒子濃度為直徑>5μm、顆粒數(shù)<29300/m3[5]，如圖4所示；使用其他修理材料時(shí)，溫度18℃～30℃，相對(duì)濕度<75% 。

民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修實(shí)踐證明，對(duì)于離位修理，要滿(mǎn)足以上環(huán)境工藝指標(biāo)較為容易，而對(duì)于在位修理，要滿(mǎn)足以上環(huán)境工藝指標(biāo)較為復(fù)雜。

2019年1月起，廣州飛機(jī)維修工程有限公司需要執(zhí)行一架波音787大翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)某類(lèi)修理工作[6]，該類(lèi)工作需要在機(jī)庫(kù)環(huán)境中在位修理。為了保障飛機(jī)維修質(zhì)量，需要開(kāi)發(fā)適合于波音787大翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理的環(huán)境控制方法。

3 環(huán)境控制方法概述

3.1 環(huán)境控制裝置的組成

本文中環(huán)境控制方法研究的核心是開(kāi)發(fā)了一種可控制飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理環(huán)境工藝的裝置，如圖5所示，該裝置的組成如下：1-溫度、濕度控制組件，包括移動(dòng)空調(diào)機(jī)、除濕機(jī)和通風(fēng)管附件等；2-空氣凈化組件，包括抽氣組件、送風(fēng)組件、高效空氣過(guò)濾芯和通風(fēng)管附件等；3-密閉式隔離罩組件，包括充氣式四面拱形透明塑料帳篷、充氣泵和通風(fēng)管附件等；4-測(cè)量?jī)x表組件，包括空氣懸浮粒子計(jì)數(shù)儀、溫濕度表。另外，在帳篷的兩個(gè)對(duì)邊留有開(kāi)口，一個(gè)用于輸送鮮風(fēng)，一個(gè)用于排風(fēng)和人員出入；在帳篷的正下方留空并設(shè)置裙邊，以便接近修理位置、下方固定密封。

3.2 環(huán)境控制裝置的基本操作方法

本文中環(huán)境控制裝置的基本操作方法為：在需要執(zhí)行在位修理的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)區(qū)域，如波音787大翼上部，使用充氣式四面拱形帳篷搭建一個(gè)密閉隔離空間；通過(guò)移動(dòng)空調(diào)組件，經(jīng)過(guò)高效空氣過(guò)濾器，向帳篷內(nèi)輸送干凈的、溫度和濕度達(dá)標(biāo)的空氣；啟動(dòng)抽氣、送風(fēng)組件，使帳篷內(nèi)形成鮮風(fēng)正壓，搭建一個(gè)密閉式潔凈區(qū)；通風(fēng)一段時(shí)間后測(cè)量帳篷內(nèi)的環(huán)境工藝指標(biāo)合格，修理員即可進(jìn)入帳篷內(nèi)開(kāi)始修理工作；保持控制裝置持續(xù)運(yùn)作至工作結(jié)束，從而保證潔凈區(qū)的環(huán)境滿(mǎn)足飛機(jī)修理手冊(cè)的要求。

3.3 環(huán)境控制方法的應(yīng)用

本文中的環(huán)境控制方法經(jīng)過(guò)地面調(diào)試后，已成功應(yīng)用于多架波音787飛機(jī)大翼上部復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理工作。環(huán)境工藝指標(biāo)（溫度、濕度、空氣懸浮粒子濃度）和持續(xù)工作時(shí)間均滿(mǎn)足波音787結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)（SRM）的要求，如圖6、圖7所示。

表1列出了3架波音787大翼上部在位修理環(huán)境工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。其中，標(biāo)準(zhǔn)值是指飛機(jī)修理手冊(cè)規(guī)定的數(shù)據(jù)，潔凈區(qū)外是指密閉式隔離罩外部，潔凈區(qū)內(nèi)是指密閉式隔離罩內(nèi)部。從表1可以看出，該控制方法明顯降低了潔凈區(qū)內(nèi)的空氣相對(duì)濕度和空氣懸浮粒子濃度，完全達(dá)到了修理手冊(cè)規(guī)定的環(huán)境工藝指標(biāo)。

4 結(jié)論

本文給出的環(huán)境控制方法能夠有效控制波音787大翼復(fù)合材料在位修理的環(huán)境工藝指標(biāo)，從而較好地提高了飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在位修理質(zhì)量。另外，通過(guò)改變密閉式隔離罩組件的構(gòu)型，該方法也可以應(yīng)用于波音787大翼之外其他區(qū)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理（在位或離位）中，如波音787、空客A350的機(jī)身蒙皮、水平安定面主扭力盒等。

參考文獻(xiàn)

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[4] Airbus. 350 Aircraft Breakdown Manual CSN [Z]. A350-A-51-77-11-01001-667A-A，Jan 01/2020.

[5] ISO 14644-1：2015（E）[S/OL]. 4.3 ISO Class number.

[6] Boeing .Aircraft Service Bulletin B787-81205-SB570030-00 [Z]. Issue 001，Mar 17/2017.

作者簡(jiǎn)介

劉愛(ài)平，高級(jí)工程師，復(fù)合材料修理車(chē)間主任。

林仁偉，工程師，主要負(fù)責(zé)飛機(jī)復(fù)合材料現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)修理。

陳壁茂，工程師，主要負(fù)責(zé)飛機(jī)復(fù)合材料現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)修理。