淺談碳纖維復合材料機體飛機的持續適航管理

■ 石剛/北京飛機維修工程有限公司重慶分公司

0 引言

先進的碳纖維復合材料具有良好的比強度、高的比剛度、優異的耐高溫性能和耐腐蝕性能以及密度小等獨特優點，尤其在民航飛機中碳纖維復合材料的應用對飛機結構的輕質化和高性能化起著至關重要的作用。碳纖維復合材料因其巨大的結構減重潛力、較高的比強度、比剛度特征以及廣泛的材料可設計性，在飛機主結構件（PSE）中獲得越來越廣泛的應用。空客A350、波音787飛機主要受力部件如蒙皮、桁條、框的設計使用了碳纖維復合材料，表明飛機結構已經由成熟的鋁合金結構進展到先進碳纖維復合材料結構階段。

1 鋁合金材料與碳纖維復合材料特性比較

鋁合金材料有以下特性：

1）鋁合金本身具有比強度高、加工性能好、成本低廉的特點；

2）通過改進熱處理狀態，每種合金可獲得不同的性能級別，并不斷改善綜合性能，充分發揮合金的潛力和效用；

3）通過降低合金中鐵、硅等雜質的含量，研制出一系列高純、高強、高韌的新型鋁合金，提高了合金的疲勞強度、斷裂韌性，降低了裂紋擴展速率，改善了抗應力腐蝕性能。

因此，在碳纖維復合材料機身結構應用之前，鋁合金材料是機身結構材料的最佳選擇。但鋁合金結構飛機在長期運行中，疲勞損傷、結構腐蝕依然是持續適航管理中必須重視的難題，相應的飛機制造廠家也制定了腐蝕防護與控制程序（CPCP）來保障機體的持續適航。

碳纖維復合材料有以下特性：

1）密度小、質量輕，碳纖維的密度為1.5～2g/cm3，相當于鋼密度的1/4，鋁合金密度的1/2；

2）抗拉強度一般都在3500MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000MPa，也高于鋼，彈性回復為100%；

3）耐高溫和低溫性好，抗熱沖擊性出色，熱膨脹系數小，抗腐蝕性優秀。

碳纖維復合材料在民航客機PSE上的大量使用，對飛機結構的輕質化和高性能化起著至關重要的作用，碳纖維復合材料機體從根本上解決了鋁合金機體的腐蝕問題。由于碳纖維復合材料飛機自身材料特性及運行時間不長，迄今為止其疲勞損傷問題表現得并不很明顯。

2 不同材料機體飛機損傷容限設計理念差異

飛機機體設計時，為了確保結構的安全性和可靠性，一般采用損傷容限設計。這就要求材料不僅有高強度，還具有較高的抗疲勞性能和一定的損傷容限要求。結構損傷容限設計主要是利用材料的緩慢裂紋擴展特性和含裂紋結構的剩余強度，來保證結構在給定的使用壽命期限內不因初始缺陷、裂紋及其他損傷擴展而發生結構失效。

鋁合金機體結構中，機體是由鋁合金加工熱處理成型的部件鉚接組裝而成。為了提高飛機運行中機體維修的經濟性，在損傷容限設計理念下，根據鋁合金部件特有的金屬特性設計了最大剩余強度，最大剩余強度在部件上表現為最小剩余厚度，指的是滿足設計載荷條件下所需的最輕構件重量，以平衡安全性和經濟性。當鋁合金部件出現表面或邊緣損傷及腐蝕時，首先應完全去除損傷，然后測量材料的剩余厚度，根據剩余厚度對照結構修理手冊（SRM）評估損傷是否為允許損傷，或是需要補強修理還是更換新件，如圖1、圖2所示。

碳纖維復合材料機體結構由碳纖維與環氧樹脂分段成型制作后經緊固件連接而成的。碳纖維復合材料中，基體為環氧樹脂，增強體為碳纖維。投入運營后的復合材料機體飛機結構修理中的關鍵點就是確定是否需要修理和能否修理之間的界限，即確定修理容限的問題，這也是修理容限的設計理念。修理容限是根據結構的強度和剛度要求分別研究損傷情況下的剩余性能，同時結合修理人員的修理設計和工藝水平以及修理經濟性等因素進行綜合決策。

圖1 損傷評估流程圖（以機身蒙皮損傷為例）

圖2 典型的去除損傷圖

圖3 修理容限損傷處理流程圖

從圖3可知，采用修理容限設計的碳纖維復合材料機體結構一旦出現損傷，無論是否損傷到纖維結構部分都必須第一時間對損傷進行修理，以保證碳纖維復合材料結構的安全性。而金屬結構機體在損傷容限的設計理念下，只需要去除損傷即可保證金屬結構的安全性。由于碳纖維復合材料的修理受工藝水平、修理環境、化工品儲運條件等因素影響，因此在操作中需要嚴格執行修理要求。

3 飛機結構持續適航管理法規的要求

適航性是指航空器適合/適應于飛行的能力，是航空器的固有屬性。適航性要求首先體現在技術方面，即系統安全性與物理完整性，其次體現在管理方面，即技術狀態與過程控制的管理等。持續適航性指飛機交付使用后適航性的保持，其核心是保障飛機的使用安全性。可以說持續適航是全壽命成功的基礎，關注適航性的監督與管理，才能確保運行安全。為了更好地保證民用航空器的持續適航和運行安全，中國民航局頒發了民航規章CCAR-121-R5，并于2017年10月10日生效實施。規章CCAR-121-R5附件J《航空器的持續適航與安全改進》還配套了8個相應的咨詢通告（AC），不僅對航空器的結構和系統的維修工程管理提出了清晰嚴格的要求，而且明確了局方除日常監管外，還要以14年為門檻值、7年為循環周期強制對運營的航空器進行檢查，以保障航空器持續適航和安全管理要求的切實落實。

4 碳纖維復合材料機體飛機在持續適航管理方面的特點

為了將CCAR-121-R5附件J《航空器的持續適航與安全改進》的要求在飛機持續適航管理中更好地執行，運營碳纖維復合材料機體飛機的航空公司工程部門需要結合復合材料機體設計理念及碳纖維復合材料特性，制定出完善的工作流程和有效的管理方法，以保證碳纖維復合材料機體飛機的持續適航性。碳纖維復合材料機體為修理容限設計，為了保證修理后飛機滿足持續適航性，必須在修理設計、修理實施、修理記錄等方面滿足適航要求。

1）修理設計適航性管理

修理設計需要建立有效的工程管理流程及修理方案的適航批準機制。結構工程師在損傷判定的準確性及修理方案的符合性方面將起到至關重要的作用。例如，碳纖維機身蒙皮損傷，工程師需首先判斷是否損傷到纖維層并明確受損纖維層的數量，進而根據受損纖維層數量決定采用可行的修理方案。工程師更需熟悉本單位的修理能力，以及特殊的工藝及技術要求在實施中能否達到。對于手冊以外的修理設計方案及OEM廠家提供的修理方案，更需在獲得相關部門專業人員評估審核批準后才能實施。

2）修理實施適航性管理

修理實施管理主要體現在維修人員的施工質量、維修環境及維修中所涉及的航材管理。FAA規章25部（FAR25）和FAA咨詢通告（AC20-107B）對復合材料結構涉及安全與適航的技術要求與標準進行了規定，是復合材料結構進行適航符合性驗證的依據。

由于碳纖維復合材料機體飛機投入運營時間不長，復合材料維修人員的技能水平不高且相應的機構培訓及廠家培訓不多，對復合材料標準修理技術規范及先進技術（如雙真空包技術、高抽氣壓實）的掌握水平差異較大，因此需要建立碳纖維復合材料修理相關課程開發和人員培訓。由于碳纖維復合材料修理中一般使用樹脂、預浸料等膠粘物質，修理環境的空氣潔凈度、濕度、溫度將直接影響修理效果，因此需要建立有效措施并購置相應設備以降低環境因子對修理的影響。碳纖維復合材料機體修理材料采用的樹脂、碳纖維或預浸料等化工品都有嚴格的使用期限及儲運條件等限制，因此在復合材料修理中，化工品的管理將是一項重要工作。從采購航材的適航性復核到航材運輸中的環境控制，再到航材庫房的管理和修理使用中的航材管理等，每個環節都需要進行可行有效的管控。

3）修理記錄適航性管理

CCAR-121-R5附件J《航空器的持續適航與安全改進》及相應咨詢通告已對航空器結構維修管理提出了嚴格要求，但由于航空器結構在管理和技術方面有其特殊性，普遍存在數據記錄不準確或不完整問題。

碳纖維復合材料飛機機體為整體成型，不同于鋁合金機體為多部件鉚接而成，在標注具體損傷時缺乏參考點，使用圖紙標準位置較困難且在記錄復核時較難查找，不直觀。這些都增大了碳纖維復合材料飛機結構管理的難度。

為保證碳纖維復合材料飛機結構管理中數據的準確性，需應用照片、視頻、先進的測量方法等先進信息管理技術及多媒體技術，將損傷參數（尺寸、位置、損傷情況）和損傷狀況以圖像形式準確地記錄并儲存，再將修理結果以圖像和數據的形式儲存，并建立飛機機體3D模型管理系統。3D飛機模型系統能夠準確標注損傷情況、處理過程、處理結果，利于后續的附加檢查。