某型飛機舵面蜂窩結(jié)構(gòu)腐蝕情況分析

羅文兵 李婷婷 王文濤 李安榮

摘要：為了解某型飛機蜂窩結(jié)構(gòu)腐蝕情況，對某型飛機蜂窩結(jié)構(gòu)腐蝕情況進行了普查匯總，并對故障件進行了分解、檢查，總結(jié)出某型飛機方向舵、水平尾翼、襟翼蜂窩腐蝕發(fā)生的主要部位，分析了腐蝕發(fā)生的主要原因。針對發(fā)現(xiàn)的蜂窩腐蝕部位及原因，制定了金屬蜂窩芯三種狀態(tài)的修理實施方案，并提出了相關(guān)的維護和改進建議。

關(guān)鍵詞：蜂窩結(jié)構(gòu)；腐蝕；修理

Keywords：honeycomb structure；corrosion；maintenance

0 引言

復(fù)合材料由于具有重量輕、比強度和比模量高、可設(shè)計并耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點[1]，在現(xiàn)代飛機中得到較多的應(yīng)用。飛機上所應(yīng)用的復(fù)合材料，按其構(gòu)造形式一般可分為層合結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)兩大類。單純層合板在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并不多，主要用于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面板、整流罩、蒙皮壁板、側(cè)壁板、梁腹板、貨艙地板、肋腹板等構(gòu)件[2，3]。由于蜂窩夾芯復(fù)合材料重量輕、造價低，而且具有良好的比強度和比剛度[4，5]，因此在夾芯結(jié)構(gòu)中，蜂窩芯材應(yīng)用最多。20世紀(jì)80年代，鋁合金蜂窩芯材廣泛應(yīng)用于某型飛機舵面上。隨著蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域尤其是在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的不斷增加，各種突發(fā)因素和環(huán)境都可能對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)造成損傷。

飛機蜂窩結(jié)構(gòu)常見的損傷大致可分為表面損傷、脫粘損傷、單側(cè)面板損傷、穿透損傷和內(nèi)部積水五種形式[6]。而針對以上幾種損傷，國內(nèi)目前尚無有效檢查金屬蜂窩腐蝕的手段和方法。飛機在大修廠進行翻修時，常采用X射線照相方法檢查蜂窩結(jié)構(gòu)是否進水，通過打孔檢查判斷進水區(qū)域是否發(fā)生腐蝕。但外場維護不具備X射線檢查條件，造成鋁合金蜂窩進水腐蝕無法及時發(fā)現(xiàn)，給飛行安全帶來極大的隱患。2013年，某型飛機在飛行過程中發(fā)生方向舵蜂窩結(jié)構(gòu)后部撕裂脫落事故征候，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該方向舵無外來物撞擊痕跡，剩余部分蜂窩芯表面呈暗灰色，有腐蝕斑點和白色腐蝕產(chǎn)物，并有多處腐蝕穿孔。經(jīng)調(diào)查組檢查發(fā)現(xiàn)，方向舵撕裂原因為蜂窩結(jié)構(gòu)嚴重腐蝕，造成蜂窩結(jié)構(gòu)剝離強度降低。由于蜂窩的腐蝕為不可見損傷，為保證飛行安全，避免類似事故征候再次發(fā)生，掌握飛機蜂窩結(jié)構(gòu)的腐蝕情況并制定后續(xù)改進措施是非常有必要的。

某型飛機的全部活動舵面后部（包括襟翼、水平尾翼、方向舵等）都采用了膠接鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，總面積達7.154m2，蜂窩結(jié)構(gòu)使用廣泛。在外場對該型飛機蜂窩結(jié)構(gòu)進行打孔檢查，通過對蜂窩芯腐蝕情況進行普查，為該型飛機蜂窩結(jié)構(gòu)改善、制定并實施防腐措施、完善防腐工藝提供重要的依據(jù)。

1 腐蝕普查情況和分析

對某型飛機舵面蜂窩結(jié)構(gòu)的腐蝕情況進行了普查，涉及服役地點、出廠時間、飛機型號、腐蝕部位等。本次普查的飛機共33架，舵面蜂窩共297件，腐蝕的蜂窩數(shù)為80件（包括輕微腐蝕和嚴重腐蝕），腐蝕率約為27%，腐蝕程度由輕微至嚴重，腐蝕面積不等。在此次普查飛機中，南方北方均有蜂窩舵面腐蝕發(fā)生，但在沿海、潮濕等地方使用的飛機上蜂窩舵面腐蝕比例較大。出廠時間最早為1987年，已接近日歷壽命，但檢查的9架該型飛機舵面蜂窩結(jié)構(gòu)卻均無腐蝕。發(fā)現(xiàn)腐蝕的80件舵面蜂窩結(jié)構(gòu)的出廠時間跨度為1990年12月至2005年12月，涉及多個型號多個批次的飛機?？梢?，蜂窩結(jié)構(gòu)的腐蝕與飛機服役時間長短、型號和批次無直接關(guān)系。

2 故障件分解檢查結(jié)果

2.1 方向舵分解、檢查

對某型飛機故障方向舵進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)方向舵自頂部向下約1000mm范圍內(nèi)發(fā)生面積較大的嚴重腐蝕，腐蝕趨勢自上而下，其他部位未發(fā)生腐蝕，如圖1所示。

分解檢查發(fā)現(xiàn)方向舵蜂窩存在進水通路，蒙皮與骨架間板—板膠存在較大空隙缺陷，密封膠填充不充分、有孔洞或脫落，導(dǎo)致密封失效，雨水或潮濕空氣進入蜂窩內(nèi)部。

2.2 水平尾翼分解、檢查

水平尾翼由左右兩個可差動操作的全動水平安定面組成，保證飛機的縱向平衡，保證飛機具有俯仰安定性和操作性。

前期普查發(fā)現(xiàn)14件平尾蜂窩后段腐蝕，其中輕微腐蝕2件，嚴重腐蝕12件。14件平尾翼尖部位均發(fā)生腐蝕，對其中5件進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)除翼尖均發(fā)生嚴重腐蝕外，3件平尾翼根部也出現(xiàn)了嚴重腐蝕。腐蝕位置及分解檢查照片如圖2、圖3所示。

分解檢查發(fā)現(xiàn)水平尾翼蜂窩進水通路使翼尖和翼根部位骨架交界處密封膠填充不充分，有掉膠和缺膠現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效，雨水或潮濕空氣進入蜂窩內(nèi)部。

2.3 襟翼X射線檢查

襟翼安裝于機翼后緣，用于飛機起飛及降落時增加機翼的升力，從而減小飛機起飛和著陸時的滑行距離。

對15架大修飛機的60個襟翼進行X射線檢查，發(fā)現(xiàn)有17件襟翼蜂窩內(nèi)部有水，打孔檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部蜂窩已發(fā)生嚴重腐蝕。腐蝕部位如圖4所示。

嚴重腐蝕位于蜂窩結(jié)構(gòu)骨架交界區(qū)域，該部位結(jié)構(gòu)與平尾類似，進水原因與其相同。

3 腐蝕機理及原因

通過對故障件的分解檢查，初步得出故障原因是雨水及潮濕空氣長期作用導(dǎo)致鋁合金蜂窩腐蝕。經(jīng)理化分析，腐蝕產(chǎn)物主要由鋁和氧兩種元素組成，從鋁和氧的含量上看，腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鋁和少量氫氧化鋁，未檢出硫、氯等易導(dǎo)致腐蝕的元素。腐蝕產(chǎn)物主要是氧化鋁，進一步說明了鋁合金蜂窩腐蝕是由于雨水或潮濕空氣長期作用導(dǎo)致的，腐蝕時間很長，蜂窩內(nèi)部積水或潮濕空氣較多。蜂窩進水或有潮濕空氣且作用時間較長是腐蝕的根本原因；縫外XM-18密封膠填充不充分、脫落或失效以及板—板間、骨架間存在進水通路是致使蜂窩腐蝕并發(fā)生故障的主因。

4 腐蝕控制方法研究

舵面蜂窩結(jié)構(gòu)經(jīng)打孔和X射線兩種方式檢查進水和腐蝕情況，檢查結(jié)果分為三種：完好、只進水未腐蝕、已腐蝕。對三種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)實施如下維修方案。

4.1 完好蜂窩結(jié)構(gòu)實施方案

若蜂窩結(jié)構(gòu)浸水后X射線檢查未進水，打孔檢查確定為無積水、未腐蝕的完好蜂窩結(jié)構(gòu)，堵孔后需在原縫外密封部位重新涂密封膠，密封膠完全固化后正常使用。密封膠選擇使用HM-109-1，相比原密封膠XM-18具有更好的流淌性，可以更充分地填充一些細小的通路。在涂密封膠前，應(yīng)先清潔待密封部位，并按工藝要求刷涂NJD-3底涂，若一次封堵固化后發(fā)現(xiàn)有未封堵處，可進行二次封堵。

4.2 只進水未腐蝕蜂窩結(jié)構(gòu)實施方案

若X射線檢查發(fā)現(xiàn)蜂窩內(nèi)部已進水，或打孔檢查發(fā)現(xiàn)蜂窩內(nèi)部積水但未發(fā)生腐蝕，應(yīng)先將積水烘干，再用環(huán)氧樹脂膠進行堵孔，注膠時應(yīng)充分注滿，消除氣泡，并使膠液少量溢出孔外，待膠開始固化時刮平表面，并將孔邊清理干凈。完全固化后，恢復(fù)表面漆層并對進水通路重新密封。密封膠固化后重新進行浸水測試和X射線檢查，確認密封有效未發(fā)生滲漏后，可繼續(xù)正常使用。無法進行重新密封的蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)停止使用，更換蜂窩結(jié)構(gòu)。

4.3 已腐蝕蜂窩結(jié)構(gòu)實施方案

若X射線檢查發(fā)現(xiàn)蜂窩內(nèi)部已進水，而且打孔檢查發(fā)現(xiàn)蜂窩芯已發(fā)生腐蝕，則更換新蜂窩件，其他部分結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用。

在民用飛機上，常用鑲接修理法和填充修理法對損傷的蜂窩芯進行修理，但由于軍用飛機對機體結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求較高，要求在較大的局部空氣動力下不發(fā)生鼓脹、下陷現(xiàn)象，對蜂窩芯的穩(wěn)定性要求較高，因此對損傷蜂窩的挖補修理并不常見。即若發(fā)現(xiàn)蜂窩芯發(fā)生腐蝕，應(yīng)更換新蜂窩。

在更換新蜂窩時，應(yīng)加強質(zhì)量控制，重點關(guān)注外場普查中發(fā)現(xiàn)的已發(fā)生腐蝕部位附近結(jié)構(gòu)的密封，特別是蜂窩結(jié)構(gòu)骨架交點處要密封。若發(fā)現(xiàn)有密封缺陷，應(yīng)及時進行密封，確保用于更換修理的新蜂窩結(jié)構(gòu)的密封可靠性。

5 結(jié)束語

通過對某型飛機舵面蜂窩結(jié)構(gòu)的腐蝕情況進行普查，掌握了其腐蝕情況和原因。方向舵腐蝕位置主要發(fā)生于頂部，腐蝕趨勢是自上向下；水平尾翼腐蝕部位主要集中在翼尖和翼根部位；襟翼嚴重腐蝕位于蜂窩結(jié)構(gòu)骨架交界區(qū)域。雨水及潮濕空氣的長期作用導(dǎo)致鋁合金蜂窩腐蝕?？p外XM-18密封膠填充不充分、脫落或失效以及板-板間、骨架間存在進水通路是致使蜂窩腐蝕并發(fā)生故障的主因。同時，在更換新蜂窩時應(yīng)加強質(zhì)量控制，重點關(guān)注外場普查中發(fā)現(xiàn)的已發(fā)生腐蝕部位附近結(jié)構(gòu)的密封，特別是蜂窩結(jié)構(gòu)骨架交點處需密封，若發(fā)現(xiàn)有密封缺陷，應(yīng)及時進行密封，確保用于更換修理的新蜂窩結(jié)構(gòu)的密封可靠性。還應(yīng)對蜂窩結(jié)構(gòu)進行定檢和維護，排除進水通路，阻止腐蝕進一步擴展，保證舵面蜂窩結(jié)構(gòu)的安全使用。

參考文獻

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作者簡介

羅文兵，工程師，主要從事飛機結(jié)構(gòu)修理工作。