民用運輸類飛機燃油箱/滑油箱晃振試驗及適用性討論

隋立軍 邱 弢

(1. 航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安 710068；2. 中國民用航空適航審定中心西安航空器審定中心，西安 710065)

0 引言

民用飛機燃油箱及滑油箱裝載的燃油、滑油在慣性載荷的作用下，會對鄰近結(jié)構(gòu)帶來沖擊力，可能造成油箱結(jié)構(gòu)件的疲勞或強度問題，引起油箱漏油，進(jìn)而引發(fā)其他安全問題[1-5]。

中國民用航空規(guī)章《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》CCAR-25-R4[6]中的第25.965條、第25.1015條規(guī)定了燃油箱及滑油箱晃振試驗驗證的具體要求。本文梳理了條款要求及驗證方法，結(jié)合某型號飛機對25.965條、25.1015條的符合性判定過程，總結(jié)了燃油箱及滑油箱晃振試驗驗證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、適航審查風(fēng)險點及審查重點，為民用運輸類飛機燃油箱及滑油箱晃振試驗驗證及審查工作提供了參考和指導(dǎo)。

1 燃油箱及滑油箱晃振的條款要求

中國民用航空規(guī)章《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》CCAR-25-R4[6]第25.965條、第25.1015條規(guī)定了燃油箱及滑油箱晃振及驗證的具體要求。對于燃油箱及滑油箱，應(yīng)按第25.965條、第25.1015條開展耐壓試驗及晃振試驗。需要注意的是，雖然針對滑油箱未明確說明需要開展晃振試驗驗證，但第25.1015條明確指出應(yīng)滿足第25.965條的要求，實際上是要求參考第25.965條的(a)、(b)、(c)、(d)款對滑油箱進(jìn)行驗證，即按第25.1015條(b)(1)款規(guī)定的壓力進(jìn)行滑油箱耐壓試驗，按第25.965(b)款要求進(jìn)行滑油箱晃振試驗。

對于燃油箱及滑油箱，耐壓試驗條款要求較為明確，因此開展設(shè)計及適航驗證過程中分歧不多?；握裨囼瀯t相比來說比較復(fù)雜，在驗證過程中容易產(chǎn)生分歧，特別是“大的無支承(或無加強)平面”的定義未在條款中直接說明。

2 燃油箱/滑油箱晃振試驗的適用性判定及實施

25.965(b)、25.1015(b)條款的驗證目的是通過試驗來確保燃油箱和滑油箱的結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而確保在一定的條件下不會引起漏油等危險。該條款闡明了需要開展晃振試驗的燃油箱、滑油箱的條件和情況，即由大的無支承或無加強平面構(gòu)成的金屬材質(zhì)的燃油箱、滑油箱。

目前，CCAR-25-R4中未直接給出“大的無支承(或無加強)平面”的定義，也未有直接針對25.965、25.1015的相關(guān)AC，因此該條的適用性判定是審查的重點和難點，也是驗證工作中存在的較大風(fēng)險點，一旦驗證不充分，就可能造成燃油箱的意外損壞，造成其他危險事件征候。

目前，僅在美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的三個相關(guān)AC中給出了可參考的判據(jù)。

2.1 燃油箱/滑油箱晃振試驗適用性的判定

美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的AC 29-2C[7]和AC 27-1B[8]中認(rèn)為容積不大于10 gal(37.85 L)，油箱壁由簡單的寬的平面構(gòu)成，油箱壁厚大于等于0.05 in(1.27 mm)的金屬油箱可以不進(jìn)行晃振試驗?；诖耍珹C 29-2C和AC 27-1B認(rèn)為面積超過14 in(355.6 mm)×14 in(355.6 mm)的平面可認(rèn)為是大的平面。

除此之外，AC 23-16A[9]中說明若燃油箱由寬的沒有隔板的平面組成，容積大于10 gal(37.85 L)時需要進(jìn)行晃振試驗。如果油箱內(nèi)部具有隔板，且分隔該平面后的寬度方向和長度方向上的尺寸小于等于15 in(381 mm)，或者油箱由厚度大于等于0.05 in(1.27 mm)的鋁合金板構(gòu)成，通過相關(guān)服役運行經(jīng)驗或設(shè)計特征可表明油箱結(jié)構(gòu)的完整性，則不需要進(jìn)行晃振試驗。由于該類金屬油箱的箱壁具有無支承或無加強的大平面，油箱壁平面在其法向上的剛度較小，承載能力相對較弱，因此油箱需要進(jìn)行晃振試驗，確保油箱無漏油或油箱壁無過度變形。

結(jié)合美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的以上三個參考資料，經(jīng)總結(jié)不需要開展晃振試驗的條件為：

1) 油箱的容積不大于10 gal(37.85 L)(AC 29-2C、AC 27-1B、AC 23-16A)；

2) 油箱壁由簡單的寬的平面(面積小于等于14 in(355.6 mm)×14 in(355.6 mm)的平面)構(gòu)成(AC 29-2C、AC 27-1B)；

3) 油箱具有內(nèi)部隔板，分隔該平面后的寬度方向和長度方向上的尺寸小于等于15 in(381 mm)(AC 23-16A)；

4) 油箱由厚度大于等于0.05 in(1.27 mm)的鋁合金板組成(AC 29-2C、AC 27-1B、AC 23-16A)。

上述四種情況可以進(jìn)一步簡化為以下三種情形：

1) 油箱的容積不大于10 gal(37.85 L)；

2) 油箱具有內(nèi)部隔板，油箱壁由簡單的寬的平面(面積小于等于14 in(355.6 mm)×14 in(355.6 mm)的平面)構(gòu)成；

3) 油箱由厚度大于等于0.05 in(1.27 mm)的鋁合金板組成。

因此，當(dāng)燃油箱或滑油箱符合上述三個條件中任意一種情況時，不需開展晃振試驗。

2.2 燃油箱/滑油箱晃振試驗的實施

晃振試驗中必須使用完整或者典型的燃油箱或者滑油箱結(jié)構(gòu)包含其與機翼結(jié)構(gòu)的連接部分開展晃振試驗，且試驗件安裝方式應(yīng)與實際安裝情況一致，或者能代表實際的安裝狀態(tài)。燃油箱晃振試驗的實施依據(jù)第25.965條(b)(2)、(b)(3)、(b)(4)款開展，滑油箱晃振試驗的實施依據(jù)第25.1015條(b)款開展。

國內(nèi)參考標(biāo)準(zhǔn)有HB 6757-93《飛機燃油箱晃動和振動試驗要求》[10]。需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)主要是針對殲擊機、強擊機等軍用飛機，在實施民用運輸類飛機燃油箱或者滑油箱晃振試驗時，應(yīng)主要依據(jù)條款要求進(jìn)行驗證試驗的規(guī)劃和實施。

3 風(fēng)險點與審查重點

3.1 風(fēng)險點

燃油箱和滑油箱晃振試驗設(shè)計及驗證的風(fēng)險點主要是晃振試驗未能實施開展，導(dǎo)致油箱結(jié)構(gòu)評定不充分。

燃油箱和滑油箱晃振試驗實施環(huán)節(jié)的主要風(fēng)險點是未按條款規(guī)定的試驗條件、試驗件狀態(tài)開展試驗驗證，導(dǎo)致試驗驗證結(jié)論不充分。

3.2 審查重點

根據(jù)燃油箱和滑油箱晃振試驗驗證可能存在的風(fēng)險點，在審查中應(yīng)重點關(guān)注以下內(nèi)容：

1)“大的無支承(或無加強)平面”的界定是否正確，應(yīng)重點審查申請人提交的燃油箱和滑油箱結(jié)構(gòu)圖樣和數(shù)模等資料，審查金屬整體油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括油箱的壁厚、內(nèi)部加強筋分割的平面尺寸等；

2)油箱的容積量大小，即是否小于10 gal(37.85 L)；

3)晃振試驗的試驗大綱編制及適航審查。申請人應(yīng)根據(jù)試驗要求，編制詳細(xì)的、可操作的試驗大綱，審查組對申請人提交的試驗大綱進(jìn)行詳細(xì)審查，確定試驗件的狀態(tài)與選取、試驗的條件和基本參數(shù)設(shè)置、試驗步驟、試驗合格判據(jù)、試驗異常情況處理等能預(yù)期表明對條款的符合性；此外審查代表在審查試驗大綱時，重點關(guān)注試驗中對油箱結(jié)構(gòu)變形和裂紋的檢測手段；

4)在試驗實施過程中，制造檢查代表要對試驗件開展制造符合性檢查，開展試驗前的制造符合性檢查，確認(rèn)試驗件安裝的正確性、試驗設(shè)施安裝與調(diào)試的狀態(tài)，確認(rèn)試驗的開試狀態(tài)滿足大綱要求。試驗過程中，由工程審查代表對試驗進(jìn)行目擊和監(jiān)控，確保申請人是嚴(yán)格按照試驗大綱規(guī)定的參數(shù)設(shè)置和步驟進(jìn)行試驗，同時也對申請人的試驗異常處理預(yù)案進(jìn)行現(xiàn)場審查。試驗中還應(yīng)重點關(guān)注對油箱結(jié)構(gòu)變形和裂紋的檢測，例如申請人于試驗開試之前在油箱結(jié)構(gòu)外表面涂覆了其他便于肉眼觀察的顯示或顯影涂層(如白堊粉末、滑石粉粉末等)，可在試驗現(xiàn)場目擊涂層是否有變化，為審查代表判定試驗結(jié)論提供輔助；

5)晃振試驗結(jié)論與條款判據(jù)的符合性判定，即無漏油或油箱壁過度變形，是否對油箱結(jié)構(gòu)的完整性及密封性帶來影響。具體的判據(jù)應(yīng)包括內(nèi)部液體未滲漏(該條判據(jù)不強調(diào)泄漏的量，只要有滲漏發(fā)生，就意味著不滿足判據(jù))；油箱結(jié)構(gòu)件無裂紋或塑性變形；結(jié)構(gòu)件未松動或局部磨損；鉚釘、螺栓等連接件未脫落或松動等。

4 審查案例

4.1 燃油箱晃振試驗審查案例

某型民用飛機型號合格審定審查組在審查該型飛機機翼結(jié)構(gòu)合格審定計劃時，發(fā)現(xiàn)申請人的強度專業(yè)在相關(guān)符合性驗證工作中未選取25.965條的(b)款。申請人向?qū)彶榻M解釋，該型飛機為整體金屬油箱，該款判定為不適用。審查組后在會議紀(jì)要中要求申請人查找相關(guān)資料，明確該款的適用性。

4.1.1 設(shè)計特征及符合性判定

審查組與申請人進(jìn)行了充分的討論，認(rèn)為該飛機設(shè)計上采用機翼整體金屬油箱，材質(zhì)為鋁合金，左、右機翼油箱對稱。單側(cè)油箱劃分為4個隔艙，油箱起始肋為機翼左、右2肋，結(jié)束肋為左、右21肋。其中，2肋～5肋空間為第一隔艙，5肋～10肋為第二隔艙，10肋～16肋為第三隔艙，16肋～21肋為第四隔艙；機翼2肋、22肋和機翼的前、后梁共同構(gòu)成了整體油箱結(jié)構(gòu)的邊界。油箱布置如圖1所示。

圖1 某型民用飛機機翼燃油箱布置示意圖

同時，該型飛機目前燃油箱容積是7 242 L(1 913.13 gal)，容積明顯大于10 gal，同時油箱內(nèi)部隔板分隔后的寬度和長度均大于15 in(381 mm)，但構(gòu)成整體油箱結(jié)構(gòu)邊界的機翼2肋腹板、22肋腹板和前梁腹板、后梁腹板及機翼壁板的厚度均大于0.05 in(1.27 mm)。

依據(jù)該條款的符合性判據(jù)(即前文中2.1節(jié))，構(gòu)成油箱的箱壁由厚度大于等于0.05 in(1.27 mm)的鋁合金板組成，因此申請人認(rèn)為，盡管25.965條的(b)款從設(shè)計上適用于該型民用飛機，但不需進(jìn)行晃振試驗；符合性方法上可選取MOC1(說明性文件)即可表明符合性。

4.1.2 符合性結(jié)論

通過申請人與審查組反復(fù)討論，申請人充分列舉設(shè)計特征并與條款判據(jù)進(jìn)行對比，申請人明確了25.965(b)款對于該型民機的適用性，明確了“大的無支承(或無加強)平面”定義以及不需要進(jìn)行晃振試驗的情況，加深了對條款要求的理解。

最終，申請人采納了審查組意見，采用MOC1(說明性文件)方法，對25.965(b)的符合性進(jìn)行說明。

4.2 滑油箱晃振試驗審查案例

某民用飛機為了保證發(fā)動機正常工作，設(shè)置了滑油及其冷卻系統(tǒng)。為此，需根據(jù)CCAR-25-R4第25.1015條要求，考慮滑油箱晃振試驗的符合性表明。

4.2.1 設(shè)計特征及符合性判定

滑油箱為金屬結(jié)構(gòu)箱體，工藝方式為鋁合金板材焊接成形。為保證滑油箱結(jié)構(gòu)的剛度和強度，箱體內(nèi)部設(shè)置了加強隔板，滑油箱箱壁分隔后的寬度小于381 mm，長度方向上大于381 mm。構(gòu)成滑油箱箱壁的鋁合金板材厚度為2.5 mm，滑油箱容積為40 L。

參照前文中2.1節(jié)的符合性判據(jù)，并參考機翼燃油箱的審查經(jīng)驗，審查組和申請人經(jīng)討論，判定該滑油箱不需開展晃振試驗。

4.2.2 符合性結(jié)論

申請人通過與審查組的討論，結(jié)合燃油箱的符合性實踐，選用MOC1(說明性文件)方法，對25.1015(b)條款的符合性進(jìn)行說明。

5 結(jié)論

本文針對燃油箱和滑油箱晃振試驗，梳理了對應(yīng)條款的相關(guān)要求及國外局方相關(guān)指導(dǎo)文件中對適用性的界定。梳理了燃油箱和滑油箱晃振試驗的適用性條件，總結(jié)了不需開展晃振試驗的具體要求。針對燃油箱和滑油箱晃振試驗，提出了審查過程中的風(fēng)險預(yù)防措施與審查重點。同時結(jié)合某型飛機的具體審查案例，對燃油箱晃振試驗的適用條件及審查判據(jù)的應(yīng)用進(jìn)行了具體案例式討論，介紹了較為詳細(xì)的審查過程，為其他民用運輸類飛機燃油箱和滑油箱晃振試驗具體設(shè)計驗證和適航審查工作的開展提供了借鑒和指導(dǎo)。