基于某型飛機整流罩的復合材料修理技術研究

湯海龍，雷社昌

(國營四達機械制造公司，陜西 咸陽 712203)

0 引言

復合材料由于其高比強度、高比剛度、低密度、低導熱系數(shù)等優(yōu)勢被廣泛運用到飛行器的重要結(jié)構(gòu)中[1-2]，如后艙壁[3]、飛行器中的隔熱板、火箭發(fā)動機的噴嘴[4]等部位。此外，為了增加飛機的航程及載彈量[5]，飛機研制者在設計之初就使用大量蜂窩夾芯材料。復合材料大量應用的現(xiàn)象在軍用飛機上得到了極大體現(xiàn)，如F-22飛機的復合材料結(jié)構(gòu)件的用量將近40%[6]，主要承重結(jié)構(gòu)部件(如尾翼、機身、機翼、襟翼和垂直穩(wěn)定器等)都使用了纖維基復合材料[7]。我國目前的現(xiàn)役飛機在研制之初也應用了大量的復合材料結(jié)構(gòu)，然而復合材料結(jié)構(gòu)的大量應用也給飛機后續(xù)的維護、維修工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

在飛機起飛、平飛、降落過程中，復合材料經(jīng)常會受到撞擊出現(xiàn)故障，嚴重威脅機上人員的生命安全，維修人員需要根據(jù)復合材料結(jié)構(gòu)的故障損傷開展針對性維修。先前的研究者針對蜂窩夾芯類的復合材料修復介紹了幾種常見的修復方法[8-11]，對于結(jié)合實際復合材料結(jié)構(gòu)件修復的論文相對較少。本文通過對飛機復合材料整流罩的大面積穿透性損傷開展修復，降低因新件制造周期長造成的經(jīng)濟浪費，為其他維修企業(yè)后續(xù)進行類似的復合材料結(jié)構(gòu)件修復提供了技術性參考。

1 整流罩故障分析

1.1 整流罩故障描述

在進行復合材料類零件修理的過程中，由于受到外界沖擊，位于飛機下部的某型整流罩出現(xiàn)產(chǎn)生嚴重損傷。整流罩左側(cè)圓角外表面出現(xiàn)178 mm×145 mm的脫膠故障，其中存在130 mm×120 mm的環(huán)氧樹脂注實蜂窩的故障如圖1(a)所示，在內(nèi)表面相同位置出現(xiàn)270 mm×160 mm面積范圍蒙皮與蜂窩脫膠，包括130 mm×100 mm的蜂窩注實故障如圖1(b)所示。該型整流罩自制周期較長，費用高等因素制約著飛機的交付周期，嚴重影響外場年度任務的順利執(zhí)行，為了能夠準時交付產(chǎn)品，完成飛機修理任務，對產(chǎn)生故障損傷的復合材料整流罩進行故障分析及修復。

圖1 整流罩損傷形貌

1.2 整流罩故障分析

整流罩位于某型飛機下方，迎風面積較大，整流罩迎風面與側(cè)面圓角處容易受到?jīng)_擊損傷，在起飛、爬升和著陸時，容易受到砂石、飛鳥等飛行物的撞擊。此外，在惡劣天氣下，飛機高空快速飛行過程中，雨水和冰雹等環(huán)境因素對整流罩的持續(xù)撞擊也可能造成整流罩一系列故障。目前常見的飛機整流罩故障主要分為蒙皮與蜂窩之間脫膠、蒙皮裂紋、蜂窩松軟塌陷等。

1.3 故障方案可行性分析

針對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的整流罩故障修復流程如圖2所示。某型飛機整流罩為雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在兩層蜂窩中間鋪有一層膠膜起到粘接作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是在受到?jīng)_擊損傷時，一側(cè)蜂窩損傷的狀況下，另一側(cè)可能仍然處于完整外形狀態(tài)。參照整流罩的結(jié)構(gòu)特點，在維修過程中先使用模具支撐一側(cè)外形，通過修復另一側(cè)蜂窩并完成流線定型過渡，最后通過同樣的方法進行修復另一側(cè)蜂窩和蒙皮。在本次修復中，我們通過分析整流罩故障狀態(tài)、修復困難程度以及修復技術條件等因素，決定采用從外蒙皮修復之后過渡到內(nèi)蒙皮的修復方式。

圖2 整流罩故障修復流程

2 整流罩詳細修復過程

復合材料的修復作業(yè)對工作間環(huán)境及待修區(qū)清潔度要求較高，環(huán)境不滿足工藝技術條件，后續(xù)復合材料結(jié)構(gòu)固化的強度將很難滿足零部件的使用要求，對安裝該修復件的飛機安全產(chǎn)生嚴重的威脅。因此，在復合材料結(jié)構(gòu)修復的過程中要嚴格控制作業(yè)環(huán)境及修復工藝。詳細的整流罩故障修復如圖3所示。

圖3 整流罩故障修復示意圖

2.1 整流罩修復前準備

在進行修復之前，需對待修區(qū)和工作間進行試修準備。

(1)使用專用刀片/打磨機沿預先檢查出脫膠區(qū)輪廓放大25 mm左右切除外蒙皮，觀察并分析內(nèi)部蜂窩脫膠、損壞情況，使用剪刀仔細地去除已經(jīng)損壞的蜂窩，在進行蜂窩去除時盡量沿蜂窩晶格邊界裁剪。使用打磨機將舊蒙皮待修復區(qū)截面進行修理，打磨成斜面/階梯狀，保障蒙皮和蜂窩之間不存在階差。

(2)使用吸塵器把待修復區(qū)的雜質(zhì)清除干凈，之后使用丙酮擦拭并進行干燥處理。在通過技術人員現(xiàn)場檢查合格后，使用密封膠帶將待修復區(qū)域封閉，防止灰塵進入蜂窩及空氣中的水分子浸入其他良好蜂窩。

(3)確保工作間的清潔度、溫度不低于15 ℃、相對濕度不大于80%，工作人員穿專用工作服。

2.2 新蜂窩的制備

(1)為了使修補后的整流罩和原蜂窩結(jié)構(gòu)具有很好的貼合性且具有良好的流線型，需要按待修復面弧度選擇在模具上制備新蜂窩，新制蜂窩的晶格尺寸、高度與原蜂窩相同，輪廓尺寸相對于舊蜂窩稍大一兩個晶格，避免因尺寸差距造成粘接強度不滿足要求。

(2)將新制蜂窩從模具上小心取下，并與舊蜂窩進行比對，確保蜂窩的輪廓尺寸、弧度滿足損壞蜂窩修補的技術要求。

2.3 蜂窩/蒙皮的固化修補

(1)在損壞蜂窩的中間部分增加一層膠膜，將裁好蜂窩放入膠膜表面上，放置時注意新蜂窩和舊蜂窩之間的粘接。在表面鋪放一層隔離膜，鋪放鋁合板模具進行定型，使用熱補儀進行中溫固化或者施加一定壓力進行常溫固化，使玻璃鋼表皮和蜂窩能夠膠接良好，等蜂窩與原結(jié)構(gòu)固化完全，除去隔離膜，然后在修補的區(qū)域上用銼刀和砂布打磨，使新修補的蜂窩芯與原件平滑過渡，固化及修復完成的蜂窩形貌如圖4所示。

圖4 外層蜂窩修復形貌

(2)在修復好的蜂窩表面鋪一層膠膜，用單層厚度為0.1 mm的無堿玻璃布進行制造外蒙皮。按照待修復面輪廓裁制無堿玻璃布，第一層玻璃布輪廓需覆蓋舊蒙皮第一層修復面輪廓20～30 mm，第二層蓋過第一層20～30 mm，以此類推，逐層鋪糊玻璃布。在進行鋪粘玻璃布的過程中，注意鋪層中間氣泡的排除。新鋪的玻璃纖維方向與原結(jié)構(gòu)層的纖維方向一致，蒙皮的最外層要附加一層玻璃布起到增強作用。

(3)整流罩的外層蒙皮完全固化后，使用120#～400#的砂紙打磨，保證整流罩外層輪廓的流線型，外蒙皮修復的狀態(tài)如圖5(a)所示。內(nèi)層蜂窩損傷的修復過程類似外層蜂窩的修復，內(nèi)層修復后的狀態(tài)如圖5(b)所示。

圖5 故障修復形貌

2.4 修理性能檢測

為了保證產(chǎn)品修理的安全性、可靠性，在進行修復過程中增加同批次試驗樣件的制作，將試驗制件置于與修復結(jié)構(gòu)件相同的環(huán)境下進行固化，對應試驗樣件的標準尺寸分別參照GB/T 1452、GB/T 1453、GB/T 1455。對固化的試件進行相關的力學性能試驗，檢測結(jié)果見表1。經(jīng)與修復工藝的技術標準進行對比驗證，整流罩修復工序的質(zhì)量能夠滿足技術標準。

2.5 整流罩的噴漆及裝配

整流罩修好并經(jīng)檢驗員檢驗合格后進行表面噴漆處理，待漆層完全干燥后，由技術人員檢查整流罩表面質(zhì)量，對于整流罩出現(xiàn)的局部缺陷進行再次修復，最后將合格品交付裝配人員進行裝機。經(jīng)過修理、檢驗等工序的嚴格檢查以及飛機多次的飛行狀態(tài)顯示，此次整流罩的修復質(zhì)量完全能夠滿足技術要求。

3 結(jié)論

復合材料結(jié)構(gòu)的修復對于相關的修理單位來說，仍然是未來發(fā)展的一個重要方向。本文通過開展夾芯結(jié)構(gòu)整流罩的大面積損傷故障修復，并很好地保證了修理質(zhì)量，保障了飛機的飛行安全，極大提高了維修廠復合材料結(jié)構(gòu)件的修復能力，對今后整流罩復合材料維修過程中的大面積蜂窩修復提供了很好的參考價值。后續(xù)工廠將在現(xiàn)有修理技術的基礎上，緊跟國內(nèi)復合材料修復技術趨勢，開展現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化的修復技術研究。