復合材料外場維修技術及幾點建議

林正杰 段友社 白樹成

摘?要：隨著復合材料裝機規(guī)模越來越大，其在使用和維護過程中的損傷和維修問題變得越來越突出。目前，國內裝機復合材料的維修工作缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，不同機型采用“自顧自”的方式進行維修，同時維修方案往往沒有考慮到外場維修條件和更新換代等問題。為解決這些問題，本文建議盡快建立軍機復合材料結構損傷數據庫和維修專家系統(tǒng)，以便開發(fā)選擇適合外場條件下具有普遍適用性的修補材料系統(tǒng)和工藝規(guī)范。此外，本文建議設計部門在結構設計時，不僅要考慮結構減重效率，同時還要兼顧飛機的后續(xù)使用和維護保養(yǎng)。

關鍵詞：復合材料；損傷數據庫；維修專家系統(tǒng)；修補材料體系

樹脂基復合材料因具有可設計性優(yōu)異、高比強度、比模量、耐腐蝕等優(yōu)異特性，現已成為航空制造領域不可缺少的材料之一［1］。復合材料的應用具有可使飛機結構減重10%～40%、結構設計成本降低15%～30%?的優(yōu)勢，其逐步由非承力結構發(fā)展到次承力結構，直至目前在主承力結構上的廣泛使用。近年來，復合材料加工和生產技術的飛速發(fā)展使得復合材料的生產成本大大降低，在面對較高的燃油價格和越來越嚴格的污染物排放標準時，復合材料在新型飛機上的用量正大幅提高，波音和空客等航空公司在其民機上的復合材料使用量均超過50%，使用量也快速增加。隨著復合材料裝機使用規(guī)模逐步增加，復合材料結構損傷現象也日益突出，以漢莎2006年復材維修統(tǒng)計為例，日均發(fā)生4.5宗維修需求，平均每宗維修成本約200萬［2］。

圍繞航空復合材料維修事業(yè)的發(fā)展，中國南方航空在發(fā)展規(guī)劃中提出針對部分常見損失制定修理規(guī)范的策略，通過保障體系和維修材料的使用規(guī)范提高維修效率及降低成本［3］。陸曉華等針對復材結構修理中修理決策的制定，提出了綜合考慮損傷因素以安全性為約束條件的修理容限確定方法［4］。針對飛機不同位置，如槳葉等零件的損失，不同單位都在實踐中探索了有價值的修復方法［5］。本文從復合材料缺陷的分類及原因出發(fā)，總結了針對不同損失的維修方法，并提出了對航空復材維修事業(yè)發(fā)展的幾點建議。

1?復合材料缺陷及損傷產生原因

復合材料的損傷大部分是由于制造的缺陷或使用維護不當而引起的。設計與制造中的缺陷是造成復合材料結構件“先天缺陷”的主要原因，而使用與維護中的不當主要有地面的操作失誤、鳥擊、雷擊、冰雹沖擊、砂石沖擊等因素。另外，環(huán)境也是引起復合材料損傷的一個原因，如復合材料過熱引起的腐蝕以及表面保護漆層剝離等損傷。地面的錯誤操作造成的損傷主要集中在飛機的機身、飛機的機翼和艙門等，而雷擊、鳥擊主要集中在雷達罩、風擋玻璃等［6］。

1.1?制造過程產生的缺陷

復合材料因其輕量化、高強度和耐腐蝕等性質而被廣泛應用于各行各業(yè)。然而，復合結構在生產、裝配和使用過程中可能出現各種類型的缺陷，這些缺陷會影響它們的性能和使用壽命。一種常見的復合結構類型是層壓板，可能出現脫層、貼合不良、皺褶或折疊、鼓包、分層、雜質、過度打磨或損傷纖維、邊緣脫層損傷等缺陷。另一種常見類型是復合材料蜂窩夾層結構，可能出現蜂窩芯格壓縮、蜂窩芯凹陷和芯子與蒙皮分層等缺陷。這些缺陷可能影響結構的強度和剛度，如果不及時處理可能導致災難性失效。

在復合部件的裝配過程中，可能因鉆孔、打鉆孔、鉚接、螺紋連接和變形等原因出現缺陷。常見的缺陷包括制孔缺陷、锪窩缺陷、鉸孔缺陷（主要是表面脫層，層數較少）、鉚接時缺陷、螺接時缺陷、扭曲/變形等缺陷。這些缺陷可能影響部件的適配性、對齊度和結構完整性。為確保復合結構的安全性和可靠性，必須定期監(jiān)測和檢查它們。在生產過程中，采取跟蹤和檢測措施以檢測缺陷并防止其擴散。在使用和維護過程中，應及時修復任何損壞或缺陷，以防止進一步惡化和潛在故障。復合結構的維修涉及各種技術，如補片、粘接和更換，應由經過培訓和合格的人員執(zhí)行，以確保正確的維修和質量控制。

1.2?使用維護過程中產生的損傷

以某型機某復合材料平尾部件為例，統(tǒng)計近十年發(fā)生的損傷，其中鳥撞約占20%，人為造成的損傷約占70%，冰雹、砂石沖擊等其他原因約占10%。由此可見，人為失誤造成的復合材料零部件損傷仍占大多數，雖然已經發(fā)展了幾十年，各設計、研發(fā)、生產單位對復合材料耐疲勞、耐腐蝕、怕沖擊等特性都有了全面了解，并對使用單位進行了廣泛培訓，但是從維修經歷來看，對復合材料使用維護的培訓還是不夠細致和全面。

1.2.1?鳥撞等因素引起的撞擊損傷

盡管飛機場站在飛行起降過程中都會采取各種措施來防止鳥類與航空器發(fā)生碰撞，但鳥撞事件仍然是時有發(fā)生。鳥撞等撞擊事件可能會對航空器的結構造成嚴重破壞，嚴重影響飛行安全。在航空器上，最容易受到鳥撞影響的部位主要集中在機頭雷達罩、機翼、平尾的前緣等區(qū)域，這些部位通常是航空器表面最突出的部位。如圖1所示，這些部位的損壞可能會導致嚴重后果，如損壞飛行控制系統(tǒng)、干擾飛行員視線、破壞氣動表面等。因此，為了確保航空器的安全性和可靠性，在設計和制造航空器時必須充分考慮鳥撞等因素，采取必要的措施來減輕鳥撞事件對航空器的影響；同時在飛行維護過程中，也需要對航空器進行定期檢查和維護，及時發(fā)現并修復可能存在的鳥撞損傷。

1.2.2?砂石沖擊、冰雹沖擊、雷擊等引起的損傷

飛機在飛行訓練、起降、地面滑行等過程中，可能會遇到跑道表面雜物、碎石、輪胎磨損碎片等障礙物的沖擊，這些沖擊會對飛機的復合材料零部件造成損傷。此外，飛機在遇到惡劣天氣時，如冰雹、雷擊等自然現象也會導致結構損傷（如圖2所示）。相對于鳥撞造成的損傷，這些損傷程度較輕，但仍然需要引起重視。大部分此類損傷可以通過目視檢查來發(fā)現，但在沖擊能量較小的情況下，一些損傷可能需要更為嚴格的結構定期檢查程序來及時發(fā)現和修復。因此，嚴格執(zhí)行飛機維護和定檢程序，對于確保飛機結構的完整性和安全性至關重要。

1.2.3?人為操作失誤

操作失誤引起的結構受損是飛機在日常飛行及保養(yǎng)過程中比較常見的問題之一，這些損傷形式各異，有些會對結構造成嚴重的破壞，而有些則只會造成輕微的損傷（如圖3所示）。這類損傷的原因多種多樣，例如駕駛員的操作失誤、維護人員的失誤等。此類損傷的受損部位主要集中在結構邊緣和上翼面，邊緣損傷是由于各種撞擊引起，例如跑道、設備、工具等，而上翼面主要是因為維護人員的疏忽，例如工具掉落、踩踏等造成。這些損傷如果不及時修復，會對飛機的安全性產生潛在的威脅，因此需要對飛機進行定期的維護和檢查，及時發(fā)現和處理這些損傷。

2?復合材料維修技術

復合材料結構維修技術是一門系統(tǒng)性技術，包括損傷檢測、損傷評估、維修方案設計、維修工藝確定及損傷效果評定等方面。在復合材料結構維修過程中，準確的損傷檢測和評估是基礎。通常情況下，采用無損檢測技術（NDI）進行損傷定位和范圍確定，其中超聲檢測技術是常用的方法。在損傷檢測基礎上，需要進行維修方案設計，根據損傷特性和試驗數據確定補片的幾何形狀、材料選擇、鋪層順序和層數等，以確保修理后的結構能滿足安全性要求。

維修工藝也是復合材料結構維修過程中非常重要的一部分。常用的維修工藝包括膠接修理、機械連接、注膠、膠鉚結合等。膠接修理是最常用的維修方法，通過清除損傷部位，處理待膠接面并選擇適當的維修設備和固化參數，完成補片與母體結構的膠接。維修后需要進行驗證和評估，以保證修理后的結構符合安全性要求。驗證和評估要基于修理試驗數據和復合材料結構特性，綜合考慮修理后的檢測結果進行評定。需要注意的是，復合材料結構的維修需要高度的技術水平和嚴格的工藝流程，不得隨意更改維修方案和工藝。同時，對于復材結構的損傷和維修，應該嚴格遵循制定的維修手冊和技術規(guī)范，確保維修后的結構具有良好的性能和安全性。

3?幾點建議

3.1?建立損傷及維修數據庫，開發(fā)維修專家系統(tǒng)

在現場修復損傷的過程中，從損傷的檢測和報告到設計單位制訂維修計劃再到維修單位實施修復是一個非常復雜和耗時的過程。這個過程經常無法快速響應，這可能會影響飛機運營商的日常飛行任務。此外，由于缺乏協調一致的研究和發(fā)展飛機維修計劃，各種飛機模型的維修數據相對分散。這導致缺乏損傷、維護和技術修復信息的綜合數據庫，嚴重影響了維修工作的快速響應能力。因此，迫切需要開發(fā)一種專業(yè)的系統(tǒng)和數據庫，能夠診斷故障、確定損傷、提出維修計劃和確定維修范圍內的維護程序。該系統(tǒng)應提高飛機維護的響應速度，并確保為飛機運營商提供及時高效的服務。

3.2?根據結構類型選材選擇具有普適性的維修材料體系

目前，中國飛機結構中使用的復合材料修復仍處于探索初級階段。每種飛機模型、結構和材料系統(tǒng)基本上是獨立的，導致飛機中使用了數十種不同的復合材料系統(tǒng)。在受損時，每個飛機模型傾向于選擇與其原始結構相似的材料系統(tǒng)進行修復。然而，這給維修單位在準備、實施維修計劃、設備要求和維護人員所需技能方面帶來了重大障礙。維修材料系統(tǒng)缺乏普適性，進一步阻礙了維修工作的響應速度。此外，隨著飛機結構原材料系統(tǒng)越來越過時，依靠它來滿足修復工作的需求已不可能。因此，迫切需要選擇和開發(fā)一種適用于各種結構的復合材料體系和黏合材料。這需要系統(tǒng)研究以評估維修材料的性能、維修效率、維護程序和修復工作的有效性。

3.3?結構設計兼顧后期維修維護

復合材料以其卓越的結構性能而聞名，有效地降低了結構重量，成為許多飛機的設計目標。然而，在過去的十年中，維修工作的經驗表明，薄殼夾芯結構雖然具有出色的結構性能，但容易受到撞擊等損傷。事實上，某種類型的飛機的統(tǒng)計數據顯示，夾芯結構占復合材料損傷的一半以上。因此，從維修工作的角度來看，結構設計不僅應該關注重量的減少，還應該考慮飛機的后續(xù)使用和維護。設計應該優(yōu)先考慮易于維修、損傷區(qū)域的可訪問性和與維修材料的兼容性，以減少維修工作的復雜性，確保飛機運營的安全和效率。

3.4?加強維修人員培訓與技能提升

飛機結構維修需要高度專業(yè)的知識和技能。在中國，維修人員的培訓和教育并沒有跟上航空業(yè)的快速發(fā)展。許多維修人員缺乏系統(tǒng)性和專業(yè)性的培訓，其知識和技能往往局限于特定類型的飛機或維修任務。此外，維修人員短缺和人員流失率高進一步加劇了這個問題。為了解決這個問題，有必要加強維修人員的培訓和教育，建立系統(tǒng)性和專業(yè)性的培訓體系，并提供持續(xù)的培訓和教育機會來提高他們的知識和技能。此外，鼓勵維修人員積極參與新維修技術的研發(fā)，提高他們的創(chuàng)新能力，促進維修工作的持續(xù)改進也是非常重要的。

3.5?加強技術創(chuàng)新，推動行業(yè)發(fā)展

飛機結構維修是一個高度技術和創(chuàng)新的領域，需要不斷研究和開發(fā)新技術和材料。近年來，中國在飛機的發(fā)展方面取得了重大進展，但維修技術和材料的研發(fā)滯后，缺乏創(chuàng)新和技術進步已成為飛機維修行業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了促進行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有必要加強技術創(chuàng)新，推動新的維修技術和材料的開發(fā)，這可以通過建立健全的研發(fā)體系，促進產、學、研合作，以及建立創(chuàng)新平臺來實現。通過促進技術創(chuàng)新，飛機維修行業(yè)可以實現持續(xù)和健康的發(fā)展，并為整個航空業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

參考文獻：

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［2］湯海龍，雷社昌，閆華偉.復合材料結構在航空領域的故障及維修［J］.科技資訊，2022，20（17）：6871.

［3］李志歆，張治富，高賽.國產大飛機復合材料維修能力探究分析［J］.航空維修與工程，2019，333（03）：3032.

［4］陸曉華，邵傳金，左洪福.飛機復材結構的修理容限確定方法［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2019，39（12）：32173228.

［5］樊占鵬，李夢，陳世章，等.某型飛機復合槳葉維修技術研究與應用［J］.科學技術創(chuàng)新，2022（34）：189192.

［6］祝琨，毛陽，郭垠昊.航空復合材料的損傷與維修［J］.中國科技信息，2010，403（14）：131+163.

作者簡介：林正杰（1989—?），男，漢族，吉林磐石人，研究生，工程師，研究方向：復合材料構件工藝研發(fā)。