飛機(jī)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)研究

■ 師永寧 段宇星 趙苗苗 / 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所

隨著民航業(yè)的發(fā)展，商用飛機(jī)動(dòng)力裝置的性能不斷提高、國(guó)產(chǎn)化需求日益突出，動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)用橡膠材料研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立，對(duì)國(guó)產(chǎn)橡膠材料的適航及標(biāo)準(zhǔn)化具有指導(dǎo)意義。

飛機(jī)的動(dòng)力裝置一般指飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及保證飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所必需的系統(tǒng)和附件，此外還包括輔助動(dòng)力裝置（APU）。動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)的核心功能元件一般由高性能阻尼橡膠材料制成，橡膠材料具有超彈性與黏彈性特征，同時(shí)也對(duì)溫度、頻率及振幅較為敏感。

美國(guó)、俄羅斯等國(guó)在投入精力研發(fā)新型橡膠材料及工藝技術(shù)的同時(shí)，已經(jīng)積累了大量橡膠材料在飛機(jī)動(dòng)力裝置上的應(yīng)用數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了可靠性分析與使用壽命評(píng)定研究工作[1]。隨著國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)減振技術(shù)及國(guó)產(chǎn)化高性能橡膠材料的快速發(fā)展，材料標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)凸顯出越來(lái)越重要的作用。雖然，在橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上已構(gòu)建了相關(guān)體系，但仍存在通用合成橡膠具有相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，高端領(lǐng)域使用的橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)體系研究匱乏、采標(biāo)和修訂滯后等現(xiàn)象。為更好地推進(jìn)我國(guó)飛機(jī)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)及其領(lǐng)域用國(guó)產(chǎn)材料的技術(shù)發(fā)展，研究橡膠材料的標(biāo)準(zhǔn)并建立材料標(biāo)準(zhǔn)體系成為亟待著手的工作。

材料的適航審定要求

材料是構(gòu)成動(dòng)力裝置的物質(zhì)基礎(chǔ)，需要建立完善的材料標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證材料性能的穩(wěn)定性和適用性。材料標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)體系的重要組成部分，既是設(shè)計(jì)制造的指導(dǎo)文件，又是性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)保證，也是適航審定的重要依據(jù)。

各航空器的適航規(guī)章都對(duì)材料提出了直接審定要求?！逗娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33）材料專(zhuān)用條款第33.15條提出，發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料的適用性和耐久性必須滿足：建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上；符合經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)范（工業(yè)或者軍用規(guī)范），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能。中國(guó)民用航空局適航審定司編制的《航空器型號(hào)合格審定程序》（AP-21-AA—2011-03-R4）中也將材料作為適航制造符合性檢查時(shí)應(yīng)考慮的重點(diǎn)，并規(guī)定：在制造過(guò)程中使用的原材料是否與型號(hào)資料相符合；是否有證據(jù)能夠保證原材料的化學(xué)和物理特性得到確定和檢查；是否有文件性證據(jù)表明從原材料到原型零件的可追溯性；是否有對(duì)不符合提交的型號(hào)資料要求的任何零件或工藝過(guò)程的偏離記錄。

適航審定時(shí)材料的具體選用規(guī)則包括：選用的材料應(yīng)有足夠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，即成熟材料已積累一定數(shù)量批次的性能數(shù)據(jù)；選用的材料應(yīng)有正式標(biāo)準(zhǔn)，材料標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)經(jīng)過(guò)適航管理機(jī)構(gòu)或其他權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可，對(duì)于美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）直接接受的行業(yè)材料標(biāo)準(zhǔn)，在說(shuō)明適用性的前提下，可提供材料數(shù)據(jù)作為符合性證據(jù)，如美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）的宇航材料規(guī)范（AMS），對(duì)于國(guó)內(nèi)行業(yè)材料標(biāo)準(zhǔn)，需表明用于材料標(biāo)準(zhǔn)建立的生產(chǎn)處于穩(wěn)定和設(shè)計(jì)值滿足適航要求，如航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HB），國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）等；設(shè)計(jì)適用的材料性能數(shù)據(jù)應(yīng)在制定手冊(cè)中選用[2-3]。

在進(jìn)行適航審定時(shí)，橡膠材料需要按照適航規(guī)定與審定程序進(jìn)行。一般推薦選用經(jīng)過(guò)適航管理機(jī)構(gòu)或其他權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的材料標(biāo)準(zhǔn)，如AMS。但是，國(guó)內(nèi)很難獲取到符合AMS 的橡膠材料原材料，國(guó)產(chǎn)橡膠產(chǎn)品一般采用國(guó)產(chǎn)橡膠原材料進(jìn)行加工，產(chǎn)品若需進(jìn)行適航審定時(shí)，一般應(yīng)自行建立橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4-5]。

總體而言，材料適航審定的要求是通過(guò)材料標(biāo)準(zhǔn)和性能數(shù)據(jù)來(lái)審查。材料標(biāo)準(zhǔn)由能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能全面控制的代表性項(xiàng)目構(gòu)成，指標(biāo)由多個(gè)批次數(shù)據(jù)基于統(tǒng)計(jì)方法生成。材料、材料標(biāo)準(zhǔn)、材料性能數(shù)據(jù)三者缺一不可。

飛機(jī)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境的特點(diǎn)

動(dòng)力裝置在飛機(jī)中的安裝環(huán)境屬于惡劣環(huán)境，具有典型的大傳載、強(qiáng)振動(dòng)、高低溫特點(diǎn)，同時(shí)也有濕熱、鹽霧、霉菌、酸性大氣、沙塵、防火等環(huán)境適應(yīng)性要求。

大傳載、強(qiáng)振動(dòng)、高低溫、防火性安裝環(huán)境

在功能上動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)屬于減振與力傳遞系統(tǒng)，應(yīng)滿足飛機(jī)在各種工況下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)仍正常工作，在全生命周期內(nèi)不因經(jīng)受長(zhǎng)期振動(dòng)而出現(xiàn)故障。在應(yīng)急著陸情況下應(yīng)不破損和脫落危及乘員的安全，不使任何撤離設(shè)施失效并影響乘員撤離，不會(huì)穿透油箱、管路或損壞相鄰系統(tǒng)而引發(fā)火災(zāi)或傷害性的爆炸，在墜撞安全試驗(yàn)條件中保證安裝系統(tǒng)的連接可靠性[6]。同時(shí)，安裝系統(tǒng)區(qū)域?qū)儆诨饏^(qū)，是飛機(jī)安全的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)具有一定的防火性能，系統(tǒng)應(yīng)在承受不低于1100℃的火焰環(huán)境后仍能滿足必要的力學(xué)支撐功能，必要時(shí)橡膠材料應(yīng)具有不易燃及自熄的特性。

動(dòng)力裝置在飛機(jī)中的安裝環(huán)境屬于高溫區(qū)，即飛機(jī)飛行過(guò)程中受局部高溫環(huán)境影響的區(qū)域，溫度高于71℃，包括動(dòng)力裝置鄰近高溫區(qū)、短艙部位等。一般要求溫度范圍在-55 ～120℃，短時(shí)誘發(fā)高溫可達(dá)200 ～250℃。同時(shí)，由于此環(huán)境為非氣密區(qū)，動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)在-73℃飛行環(huán)境條件下短時(shí)間持續(xù)使用，還應(yīng)能保證在溫度沖擊環(huán)境后可以正常工作，并具有低氣壓和高溫、高濕二者循環(huán)作用的環(huán)境適應(yīng)能力。

其他通用機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求

動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)具有典型的機(jī)載設(shè)備耐濕熱、鹽霧、霉菌、酸性大氣的要求。包括在高溫和高濕環(huán)境下的適應(yīng)性，在黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉和短柄皺霉等典型菌種環(huán)境下的適應(yīng)性，以及在標(biāo)準(zhǔn)的中性或者酸性鹽霧下的適應(yīng)性。

在飛行、維護(hù)和停機(jī)等大部分狀態(tài)下，動(dòng)力裝置環(huán)境都不會(huì)直接受到雨水沖擊，但可能由于機(jī)體非氣密艙上部結(jié)構(gòu)密封失效或冷凝產(chǎn)生滴水情況，因此安裝系統(tǒng)環(huán)境還應(yīng)具有滿足滴水條件下正常工作的要求。

動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)不屬于暴露在飛機(jī)機(jī)艙外的機(jī)載設(shè)備，但仍需要在起飛和著陸階段暴露于外部沙塵環(huán)境下，以及在地面使用/維護(hù)時(shí)也可能暴露于沙塵環(huán)境中工作。

橡膠材料性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立

飛機(jī)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)橡膠材料的性能提出了苛刻的指標(biāo)要求，針對(duì)這種特殊環(huán)境下的橡膠材料，材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立十分重要。一般而言，航空橡膠材料性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中應(yīng)包含材料的基本性能、功能性能、環(huán)境適應(yīng)性性能、熱老化性能、疲勞性能等。而動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)適用的橡膠材料是一種阻尼功能材料，還需要對(duì)材料的阻尼性能指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范。

基本性能規(guī)范的建立

橡膠材料的基本性能包括5項(xiàng)核心指標(biāo)，即材料硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度與壓縮永久變形。對(duì)基本性能的測(cè)試已經(jīng)擁有成熟的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系，在適航審定過(guò)程中，一般采用美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境適應(yīng)性性能規(guī)范的建立

依據(jù)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)所處環(huán)境，橡膠制品的環(huán)境適應(yīng)性性能應(yīng)對(duì)振動(dòng)、噪聲、沖擊、墜撞、高溫、低溫、高度、鹽霧、濕熱、霉菌、沙塵、結(jié)冰、流體等多重環(huán)境進(jìn)行考核。在適航審定時(shí)，橡膠材料的耐高溫性能可依據(jù)ASTM D573進(jìn)行，測(cè)試其在高溫環(huán)境中的性能變化；耐低溫性能可依據(jù)ASTM D2137進(jìn)行，測(cè)試其在低溫下是否發(fā)生脆性變化，保證橡膠制品在低溫環(huán)境下的使用安全；耐液體性能可依據(jù)ASTM D471進(jìn)行，測(cè)試其在不同液體環(huán)境中材料的溶脹率或性能變化；鹽霧、濕熱、霉菌等其他性能一般可依據(jù)RTCA/DO-160進(jìn)行測(cè)試。

阻尼性能規(guī)范的建立

動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)中橡膠材料主要用于振動(dòng)控制及減振降噪，其功能性能即為阻尼性能指標(biāo)。阻尼性能的測(cè)定沒(méi)有廣泛認(rèn)可的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，航空工業(yè)強(qiáng)度所制定了《硫化橡膠或熱塑性橡膠阻尼性能的測(cè)定》（ASRIC/QS 029—2023）標(biāo)準(zhǔn)，熱動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀（DMA）可用于動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)中橡膠材料的阻尼性能的測(cè)定，并給出具體的試驗(yàn)件規(guī)格，試驗(yàn)條件及合格判據(jù)。針對(duì)動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)的橡膠材料，可按照上述試驗(yàn)方法測(cè)試性能指標(biāo)，并進(jìn)行材料特性試驗(yàn)，多批次驗(yàn)證指標(biāo)的穩(wěn)定性與可靠性，依據(jù)統(tǒng)計(jì)方法確定出橡膠材料科學(xué)合理的性能指標(biāo)值。

橡膠材料壽命標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立

隨著航空航天和尖端軍事裝備研發(fā)領(lǐng)域?qū)?dòng)力裝置安裝系統(tǒng)橡膠產(chǎn)品可靠性的要求越來(lái)越高，橡膠壽命的定量評(píng)定方法研究已成為橡膠應(yīng)用研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。橡膠產(chǎn)品的壽命不僅有類(lèi)似于金屬產(chǎn)品的疲勞壽命指標(biāo)，還有老化壽命指標(biāo)。

老化壽命機(jī)理

橡膠產(chǎn)品常因受熱、空氣中的氧和臭氧、陽(yáng)光、風(fēng)、雨、雪、水分，以及使用過(guò)程各種機(jī)械應(yīng)力作用或化學(xué)溶劑的侵蝕，使得化學(xué)結(jié)構(gòu)受到破壞，變得疲軟或硬脆龜裂、表面粗糙、力學(xué)性能下降，隨時(shí)間推移逐漸喪失使用價(jià)值。動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)所使用的橡膠材料一般很少受到陽(yáng)光直射以及雨雪的覆蓋，絕大部分是受到熱氧老化侵蝕導(dǎo)致安裝節(jié)失效。因此，可通過(guò)橡膠材料的熱空氣老化性能來(lái)表征橡膠材料的老化壽命。熱空氣加速老化壽命試驗(yàn)是一項(xiàng)較為通用成熟的老化壽命測(cè)試方法，其原理為基于阿累尼烏斯（Arrhenius）公式進(jìn)行外推計(jì)算的方法。

航空工業(yè)強(qiáng)度所研發(fā)的航空橡膠材料已通過(guò)了多項(xiàng)加速老化壽命測(cè)試分析，并形成基于熱加速老化模型的航空阻尼硅橡膠儲(chǔ)存壽命分析軟件，橡膠材料壽命可達(dá)15年以上。

疲勞壽命曲線及產(chǎn)品壽命推算方法的建立

目前，橡膠材料的疲勞壽命并沒(méi)有成熟通用的測(cè)定與考核方法。當(dāng)前可用的驗(yàn)證方法主要包括基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的裂紋萌生疲勞壽命分析方法與基于斷裂力學(xué)理論的裂紋擴(kuò)展壽命分析方法。

前者由于標(biāo)量形式的疲勞預(yù)測(cè)因子無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估復(fù)雜加載條件下橡膠材料內(nèi)部真實(shí)的損傷狀況和裂紋萌生情況，僅對(duì)單軸加載方式和簡(jiǎn)單幅值周期性載荷條件下的橡膠構(gòu)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果有較好的預(yù)測(cè)性，在多軸、變幅載荷加載條件下，壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性常和試驗(yàn)結(jié)果有較大差異，預(yù)測(cè)出的疲勞危險(xiǎn)區(qū)域位置和實(shí)際情況也會(huì)出現(xiàn)較大偏差，因此預(yù)測(cè)橡膠材料的疲勞壽命存在很大的局限性。

斷裂力學(xué)的概念最先由格里菲斯在1920年首次提出，格里菲斯在研究金屬疲勞問(wèn)題時(shí)提出：缺口固體的機(jī)械能與裂紋表面能滿足能量守恒定律；裂紋擴(kuò)展是儲(chǔ)存在變形固體內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換到新的裂紋表面的過(guò)程?；跀嗔蚜W(xué)的方法建立的能量平衡方程是基于整個(gè)固體而言的，不需要裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)信息，這種方法被廣泛用于聚合物材料的疲勞問(wèn)題研究中。里夫林和托馬斯將格里菲斯的方法應(yīng)用于橡膠材料撕裂問(wèn)題的研究中，他們發(fā)現(xiàn)橡膠材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率由每單位裂紋面積內(nèi)的應(yīng)變能變化量唯一確定，這一變化量被稱(chēng)為材料的撕裂能（tearing energy）或能量釋放率（energy release rate）。

在進(jìn)行橡膠材料測(cè)試時(shí)，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定得出橡膠材料的最大撕裂能、疲勞裂紋擴(kuò)展等參數(shù)，分析計(jì)算給出橡膠材料的疲勞壽命圖譜，即材料應(yīng)變-壽命曲線。

基于橡膠材料應(yīng)變-壽命曲線，即可對(duì)動(dòng)力裝置安裝節(jié)及整個(gè)安裝系統(tǒng)進(jìn)行壽命分析，給出其理論疲勞壽命，輔以產(chǎn)品/系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)校核，最終得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品疲勞壽命。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，國(guó)外航空動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)采用的AMS橡膠標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展成熟，且經(jīng)過(guò)多型號(hào)適航審定，標(biāo)準(zhǔn)體系完整性、內(nèi)容全面性和產(chǎn)品適用性都已得到驗(yàn)證，而動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)適用的國(guó)產(chǎn)橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)較少且大多沒(méi)有經(jīng)過(guò)適航審定，材料規(guī)范的制定仍處于探索階段，材料沒(méi)有統(tǒng)一且通用的適航驗(yàn)證方法。研究動(dòng)力裝置安裝系統(tǒng)橡膠材料適航規(guī)范的建立方法，對(duì)國(guó)產(chǎn)橡膠材料的標(biāo)準(zhǔn)化具有指導(dǎo)意義。