民用飛機結構密封設計技術要求研究

劉秦智王 哲

（1. 中航工業綜合技術研究所，北京 100028；2. 中航工業一飛院，陜西 西安 710089）

民用飛機結構密封設計技術要求研究

劉秦智1王 哲2

（1. 中航工業綜合技術研究所，北京 100028；2. 中航工業一飛院，陜西 西安 710089）

針對民用飛機結構長壽命防腐蝕密封和增壓艙失壓密封要求，從設計準則、設計要求、密封型式、密封材料等技術要求進行了研究，總結了典型結構密封方法要求，并對密封材料的環境適應性試驗情況進行了說明，可供有關人員參考。

密封；結構設計；試驗驗證

密封失效會危及飛機和乘員安全，密封不好產生腐蝕會降低飛機結構的強度、剛度與使用壽命，增加維修工作量與費用，影響飛機的結構完整性與戰備出勤率，甚至會危及飛機的使用安全性與可靠性，飛機高空失壓和密封不好造成腐蝕的現象在軍用、民用飛機中時有發生。

隨著航空技術的發展，現代飛行器飛行高度及飛行速度的增大給飛機設備及機上人員工作帶來不利影響。為了保證飛機艙內環境舒服，現代飛機特別是民用飛機均采用增壓座艙，即利用環境控制系統調節座艙壓力、溫度及濕度等。增壓座艙要求飛機結構具有良好的密封性能，避免在飛行中出現失壓情況，將會釀成嚴重事故。另外，民用飛機壽命越來越高，有的飛機要求9萬飛行小時，十分注重腐蝕防護，而腐蝕防護最主要的措施就是結構密封，防止腐蝕介質的浸入或進行不同材料隔離。

1 結構密封設計要求

結構密封就是采用合理的結構形式，利用密封材料堵塞結構上的滲漏渠道，阻止壓力的泄漏、水氣或腐蝕介質的滲入，從而達到結構氣密和防止腐蝕的目的。

飛機結構根據不同的結構形式應采取不同的密封方法，并考慮多種密封的綜合運用。結構密封主要包括增壓區密封，防腐蝕密封，油箱艙密封，特設、雷達、液壓艙密封，高溫防火墻密封，氣動整流密封，電氣密封，其它密封（包括熱防冰密封、金屬與非金屬結構密封、某些非結構零件的膠接密封等）等。

1.1 增壓區密封

增壓機身泄漏源廣布于氣密線上，主要包括連接件孔和連接螺母，氣密線上的構件對/搭接縫和轉角、拐角，玻璃安裝，增壓艙區的艙門、口蓋等縫隙，通過氣密線上的各系統件（如電纜、導管、機構件、燈座、天線和設備）等，應根據不同的結構形式采取不同的密封方法，如氣密區內的蒙皮與框剪切片、長桁連接處，應采用填角密封；壁板的縱向搭接、對接處，應進行貼合面、填角密封；對于壁板的橫向對接處，應進行貼合面密封；對于縱、橫向對縫交叉處，應進行貼合面、填角密封；對于承受氣密載荷的框、地板，鉚釘放置方向應為釘頭在承壓區，同時應進行填角密封。

1.2 防腐蝕密封

防腐蝕密封，包括合理的結構設計、適當的密封材料選擇、正確的密封工藝及密封質量控制，設計中應全面考慮，嚴格要求，防止造成滲漏或滲漏隱患。

密封部位的確定應有利于密封，應使可能滲漏的孔洞數量盡量減少，使可能滲漏的縫隙、厚度盡量小，其長度盡量大；設計時應考慮鄰近零件的密封施工操作的空間限制，保證密封部位有可達性；設計的密封區應有足夠的剛度，避免密封材料在過度撓曲和循環受力變形中脫膠、開裂、造成密封失效產生滲漏。

處于腐蝕環境的接縫應密封，所有位于外部或內部腐蝕環境中的接縫，包括起落架艙、附件艙、外表面口蓋和整流結構等，均應用密封劑密封，可拆卸的檢查口蓋，應預制密封墊口蓋密封。確定緊固件的數量和間距，應依據口蓋、口框剛度，剛度大間距可大，剛度小則適當增加緊固件數量，以保證相鄰緊固件制件口蓋同口框密切結合，具體數量，必要時應通過試驗確定。

穿過機體外露的零件應密封連接，所有穿過蒙皮通向機外的附件，如天線、拉桿、導管、電纜等，應對連接縫和緊固件進行可靠的密封。

設計分離面、蒙皮接縫及緊固件應可靠密封，飛機上的設計分離面，如前、后機身分離處，應進行密封；蒙皮的接縫，特別是機體上表面、側面和其他可能滲水的接縫，應嵌縫或填角密封；緊固件應濕法密封裝配，例如先在埋頭窩表面或釘孔柱面上涂施密封劑或涂料。

電子設備干燥密封，電子設備和儀表應在徹底干燥后，進行氣密裝配，保證內部封閉，形成不凝露，不引起局部腐蝕的環境。

1.3 密封形式

結構密封主要有以下3種形式。

1.3.1 機械密封

氣密區域的緊固件，如一般鉚釘、高鎖螺栓、高抗剪釘均采用干涉配合（除非有鈦、鋁或鋼、混合夾層地方采用過渡配合），為了保證高的鉚接質量及氣密質量，盡量采用自動壓鉚機鉚接，如長桁和蒙皮的連接鉚釘、環槽鉚釘、高抗剪鉚釘與孔配合對鋁合金夾層均采用過盈配合，但對于混合材料（如鋁與鈦、鋼）夾層考慮采用過渡配合，這是為了減少應力集中，提高疲勞強度，以便更好地提高其密封性。

1.3.2 密封膠密封

對氣密結構規定區域（如蒙皮對縫、氣密線上加強墊板等處）進行縫內或縫外涂密封膠。利用密封膠密封，是用常溫固化膠液充填縫隙、漏氣通道，阻斷漏氣路線來實現氣密。密封方式主要有：貼合面密封（縫內密封），零件貼合面為漏氣通道，在面與面之間施加密封膠的方法。對于剛度大、形面復雜的貼合面，應有較好的配合狀態，否則影響密封性能。填角密封，適用于結構內部有階差的構件邊緣。空穴直徑不大于9.5mm可采用充填密封。

1.3.3 密封件

密封件包括O形環、U形環、密封型材、氣密帶、密封墊圈和密封墊片。主要用于大的漏氣源部位，如門、窗等各類開口部位，使用這種密封形式范圍大而可靠。這些密封件的有效性取決于作用在密封表面的壓力的連續性。應注意：密封零件間的分離和翹曲不應超過任一點上“密封線”的密封件的擴展能力；承受密封件壓力的表面應足夠平整和光滑，以便得到可靠的密封；密封件應被固定，以防止扭轉緊固件或接頭時，產生任何運動。機械密封和填角密封可以結合使用。如果更換密封件會破壞填角密封，這種方法就不實用。如果自密封螺母用于連接，那么緊固件應是一級配合或更好的配合。

1.4 密封設計航標的編制

鑒于目前GJB 3815-1999《飛機氣密艙設計要求》、GJB 5431-2005《飛機結構防水和排水設計要求》、HB 7671-2000《飛機結構防腐蝕設計要求》、HB 7495-1997《民用飛機機體結構通用要求》，對民機結構密封要求太少并且不全面，尤其適航符合性方面幾乎空白，尚無一套有效、合理的指導性文件用于民用飛機型號研制中結構密封設計。我國目前雖然經過多個型號的研制，在設計手段上有了長足的進步，但沒有系統性地對以往的設計經驗和教訓進行總結和提升。而國外在結構密封方面的設計手冊較多，如波音公司《飛機設計手冊》，種類齊全的工藝材料規范（如ZPS、ZMS）等。

2 新型密封材料環境適應性研究

2.1 密封材料篩選

密封材料主要應用部位有風擋窗戶區域、口框區域、結構縫隙、盥洗室區域等。典型非金屬密封件如艙門密封橡膠帶、防腐蝕和氣密的密封劑等。選擇性能優良、重量輕的密封材料須經過環境適應性試驗驗證和適航部門批準，國內關于密封材料環境適應性方面的研究較少，環境譜的編制更是空白。

通過調研機場環境數據，掌握機場外部自然環境，結合以前飛機腐蝕損傷關鍵部位與外部環境之間的關系，分析關鍵部位局部環境的腐蝕因素。參考國外經過驗證的行之有效的加速試驗環境譜，綜合考慮造成飛機結構腐蝕/失效的各種環境因素，選取主要環境因素制定加速試驗環境譜，并組合為可實施的、具有模擬性的加速試驗環境譜。

通過適當的當量關系確定方法來確定各環境譜塊的參數，確定非金屬密封件加速試驗環境譜實施的具體試驗條件，使環境譜同時具備“加速性”和“再現性”。

2.2 密封材料環境適應性評估方法研究

密封材料在分別經過溫濕、熱沖擊、鹽霧、紫外照射、低溫疲勞及自然暴曬等試驗之后，測試其性能變化情況。主要測試方法有：

失重法：計算樣品在試驗后的累積重量變化，紫外暴曬與周期浸潤聯合試驗每個循環后樣品的重量變化量。

失光率：紫外暴曬與周期浸潤聯合試驗每個循環后樣品的光澤度變化量。

力學性能測試：使用微機控制電子萬能試驗機對試驗前后的樣品進行力學性能測試。

表面形貌觀察：使用金相顯微鏡、變焦體視顯微鏡及照相機觀察試驗前后樣品的表面形貌變化。

3 典型結構密封設計

飛機結構如機身氣密座艙和機翼整體油箱一些部位的密封，是為了預防氣體或燃油通過很多小縫隙的通道逸出，這些小縫隙存在于結構中各連接處，對這些縫隙通過涂敷密封劑實現密封。

3.1 氣動表面

與氣動表面有關結構如外表蒙皮、天線、信號燈等。外表蒙皮對接時應留有設計所確定的縫寬2mm～2.5mm進行防腐蝕密封，搭接時應進行填角密封。天線與外蒙皮連接時應防腐蝕密封，機翼翼根與機身連接處外蒙包皮整流，防雨水滲入應進行防腐蝕密封，機身、機翼上信號燈、照明燈、防雷裝置等與外蒙皮連接時整流防腐蝕密封。

蒙皮搭接應密封鉚接，蒙皮應按順氣流方向，由前搭后、由上搭下，在搭接寬度的貼合面間涂有高粘接力密封劑密封鉚接。然后在蒙皮邊角處進行填角密封及鉚釘鐓頭涂稀的密封劑密封防護。

蒙皮對接應密封鉚接，為確保蒙皮對縫密封鉚接的可靠，在蒙皮對縫連接寬度區內面增加連接帶板，并在貼合面間涂有高粘接力密封劑密封鉚接；蒙皮對縫間隙中應采用密封劑填充密封，在蒙皮邊角也應填角密封，鉚釘鐓頭涂稀的密封劑密封防護。對于機身外表面的對接、搭接縫，可涂摻鋁密封膠，使表面光滑。

3.2 連接件

連接件密封設計應滿足如下要求：

所謂連接件密封是靠釘孔與釘桿之間適當的過盈量，阻止空氣的泄漏來達到密封目的，屬于一種機械密封方式；

對于夾層中為鋼—鋁或鈦—鋁混合夾層不允許緊固件與孔為過盈量配合及大于二級精度的螺栓配合，為了保證密封性，可采用蘸膠濕安裝；

對位于氣密線上可拆卸的口蓋、整流包皮的連接件的螺母，為了保證其氣密，必須選用密封的桶形螺母或密封的托板螺母；

氣密線上的自封性緊固件的選用。在滿足氣動要求情況下，盡可能選用凸頭緊固件，以利于密封和強度要求。對于所選用的埋頭緊固件，注意避免锪埋頭窩蒙皮或板件被锪穿；

所有穿過密封面的緊固件要通過金屬膨脹即干涉緊固件或密封劑進行密封。除非同意使用自封密封緊固件，所有緊固件都用填角密封。每一個緊固件在滲漏的情況下，應能進行檢修。

3.3 口蓋、口框

在各種使用情況下，口蓋、口框的密封材料應處于均勻彈性壓縮狀態，設計時應考慮如下因素：

密封材料應有較好的彈性壓縮性能，壓力取消后，應有較好的恢復能力。口蓋周邊與口框接合面應用耐蝕橡膠墊、管、帶、密封劑等進行安裝；

口蓋邊緣和口框應具有一定的剛度，使密封材料能得到均勻的壓縮量；

口框區域密封，應進行貼合面、填角密封。對于機身和機翼上表面的口蓋，由于經常拆卸，為了防止漏入雨水，在口蓋與口框間應采用密封劑實現密封；

氣密艙開口周圍所有構件之間，包括接頭在內應涂寬約25.4mm的密封劑；

螺釘間距要保證密封壓縮量均勻。

3.4 地板

應采用具體的設計措施，以防水分滲漏到下機身區內，艙底的水分是導致民用飛機腐蝕的比較嚴重的問題之一。

主客艙廚房、廁所和登機門地板密封，整個區域上放聚脂膜，在整個尼龍繩邊緣間隙內涂密封劑，用密封劑濕安裝螺釘等。

客艙和貨艙地板密封，在整個尼龍繩邊緣間隙內涂密封劑，用密封劑濕安裝螺釘等。

3.5 整體油箱

整體油箱主結構件前后梁、端肋與蒙皮連接處，長桁與上下壁的連接應按防腐蝕密封設計。整體油箱可卸壁板按口蓋類密封。整體油箱內表面應采用保護密封體系，如油箱壁板等零部件陽極化后應先噴涂聚氨酯底漆，油箱組裝后為防止整體油箱內的密封劑在燃油及霉菌腐蝕變質過早出現失效，應采用表面保護密封涂料作最后刷涂或灌涂防腐蝕密封。

整體油箱應設置檢查維修通道，以便維修與施加密封劑，口蓋應易于拆裝。

采用油箱內壁面涂層系統，如內表面涂覆涂料及防霉密封劑控制油箱腐蝕。

3.6 蜂窩及膠接結構

蜂窩件邊部應進行防腐蝕密封，蜂窩件對接時應先作表涂處理后填入耐水密封劑，蜂窩芯與面板膠接處應用阻蝕型密封劑進行填角密封，蜂窩芯邊部應采用耐水、高粘接力密封劑。穿過膠接蜂窩件的連接件應濕態裝配，保證密封要求。金屬膠接后應用阻蝕型密封劑進行填角密封，板與板之間應涂緩蝕黏結底膠，應用阻蝕型密封劑進行貼合面密封。

3.7 艙門、艙蓋及窗玻璃

艙門、艙蓋及窗玻璃的密封主要采用橡膠型材密封件，在有可能產生泄漏的通路上設置這些密封件。

對于駕駛艙的風擋及通風窗玻璃，由于型面和協調關系復雜，往往又采用注膠、壓模修平、膠帶襯墊的綜合密封。

艙門開口外露部分的蒙皮、口框、帶板等，在第一排緊固件連接處應采用密封劑封口鉚接。

對于夾層結構式的艙門，空腔部位應設有通氣、排水孔，如無法排水，通氣時應采用密封鉚接或空腔內充填聚脂泡沫。

安裝在窗口帶狀加強件上所有構件，應涂寬約25.4mm的密封劑作貼合密封。

3.8 起落架艙

飛機起飛或著陸時，起落架艙中接受大量引起腐蝕的因素（如地面水、沙、塵、輪胎摩擦生成的二氧化硫等），收起后封閉的輪胎艙內仍為腐蝕性因素（如二氧化硫、水及濕氣等）。所有的結構結合面應進行防腐蝕密封。

3.9 隔熱結構

由隔熱氈隔熱時，飛機機身蒙皮內側下陷處在貼氈前，應采用高溫密封劑進行防腐蝕密封。在溫度超過121℃，而不超過180℃的區域，使用聚硫代醚密封劑或聚硫密封劑，超過180℃時使用有機硅密封劑密封。

3.10 穿越氣密線系統件

電纜通過孔采用密封接頭或包扎膠充填密封，導管通過孔采用法蘭盤固定充填密封，拉桿、機構件等采用橡膠氣密接頭密封。當為可拆卸件密封,應用低粘接力密封劑，電器零件防潮密封應用有機硅、聚氨脂或硫化類絕緣密封劑。

3.11 整流包皮

防雨水滲入腐蝕，可拆卸整流包皮與機體貼合面上應貼有密封膠墊，并適當增加緊固件數量，使整流包皮緊密貼合在機體上；

不可拆卸的整流包皮與機體接合面上應涂密封劑進行防漏水密封鉚接；

整流包皮尖角部位應用密封劑填角密封。

4 結束語

民用飛機結構密封設計是飛機增壓艙密封功能實現和長壽命保證重要環節，將密封設計原則、密封措施、以及典型結構密封設計方法等固化，形成HB 8395-2013《民用飛機結構密封設計通用要求》，規范設計，提高密封效果，減輕密封所需結構重量，滿足適航要求。

（編輯：雨晴）

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C

1003-6660（2017）01-0015-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.01.004

2016-07-08