航空材料適航條款符合性驗證研究

李龍彬 程普強 隋立軍

(1. 航空工業(yè)第一飛機設計研究院 71089； 2. 中國民用航空適航審定中心西安航空器審定中心 710065 )

0 引言

在飛機設計過程中，必須預先考慮幾種不確定的因素：(1)在飛行和地面使用中可能有超出限制載荷的情況；(2)用理論計算和實驗方法確定的結(jié)構(gòu)應力的準確性；(3)結(jié)構(gòu)材料特性的分散度和制造工藝的不準確性；(4)從整個飛機使用壽命期材料強度的下降[1],可以看出材料的不確定性對整個飛機的安全性有比較重要的影響。CCAR的適航條款是參照美國的FAR適航條款制定的，在民用航空適航規(guī)章CCAR25[2]中，603條款和613條款對民用航空材料的使用和性能分別直接提出了要求。其中，603條款從宏觀層面對材料的使用提出了要求，613條款則對具體的材料強度性能和設計值提出了要求。適航條款是對過往經(jīng)驗的有效總結(jié)，同時也給工程解決問題提出了思路，為了在飛機設計過程中控制未知風險，保障飛行的安全性，必須采取有效的工程化方法，控制材料使用風險，所以本文從分析規(guī)章條款的含義和要求出發(fā)，探討符合這些條款的方法，并針對國內(nèi)現(xiàn)狀，給出一些建議。

1 條款背景分析

FAR的603條款自制定以來修訂了2次。最初條款中只有(a)、(b)兩條，第1次修訂(1977年生效)將對象從原來“用于結(jié)構(gòu)的材料”擴展到“其破壞對安全有不利影響的零件的材料”；第2次修訂(1978年生效)增加了(c)條款“考慮服役中預期的環(huán)境條件如溫度和濕度的影響”，以要求申請人表明用于飛機結(jié)構(gòu)的材料能夠在其整個壽命內(nèi)維持設計性能[3,4]。

FAR的613條款自制定以來，修訂了3次。第1次(1978年生效)修訂了(e)條款，允許申請人在得到局方批準的條件下，采用其他的設計值；第2次修訂(1990年生效)使得條款適用更清晰和明確；第3次修訂(2003年生效)減少了FAR25.613與歐洲適航標準CS25.613之間的差別，降低了飛機制造商的取證成本，對除(a)條以外的條款都進行了修訂。

歷次的適航條款修訂在吸納工業(yè)界累積的實踐經(jīng)驗的同時，進一步明確了條款要求，考慮實際的可操作性，603和613條款在最后一次修訂后，條款再沒有發(fā)生變動，迄今為止，業(yè)界對這兩項條款內(nèi)容有廣泛的認同，條款很成熟，符合性驗證的方法明確。

2 條款要求解讀

根據(jù)工程實踐，從驗證的角度出發(fā)，603條款具體要求可以解讀為：

1)材料的使用性能和耐久性應建立在型號使用經(jīng)驗或試驗驗證的基礎上；

2)材料性能應符合經(jīng)批準的標準，保證設計采用的強度等性能；

3)應考慮使用環(huán)境對材料性能造成的不利影響。

從驗證的角度，613 條款具體要求可以解讀為：

1)材料性能應以足夠的試驗為依據(jù)，通過統(tǒng)計的方法確定材料許用值；

2)選取的材料許用值應使因材料偏差引起的結(jié)構(gòu)破壞的概率最小，單個元件傳遞載荷應采用A基值/材料許用值，其他承載元件可選用B基值/材料許用值；

3)應考慮環(huán)境條件對材料許用值的影響(材料許用值附加考慮因素)；

4)通過單項試驗證明的材料可以采用較高的材料許用值；

5)可以采用其他經(jīng)批準的材料許用值。

在進行符合性驗證的過程中，可以認為603(b)條是整個603條款的核心，要求使用的材料應符合某種材料規(guī)范/標準，材料規(guī)范應具備保證所使用的強度和其他性能的功能。

603條款中，局方認可的標準包括行業(yè)規(guī)范、用戶規(guī)范和技術(shù)標準規(guī)定(CTSO/TSO)，行業(yè)規(guī)范是指行業(yè)級以上的工業(yè)規(guī)范/標準以及軍用規(guī)范/標準，環(huán)境條件是指應力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等使材料性能隨時間延長而衰退的環(huán)境因素[3-4]。

613條款(a)中，“足夠”是指試驗數(shù)據(jù)量足以進行統(tǒng)計分析，經(jīng)批準的標準是指標準得到適航當局的批準[3-4]。613條款對603條款中提及標準的性能指標制定給出了明確要求。

3 材料性能符合性驗證思路

根據(jù)中國民航總局發(fā)布的《航空器型號合格審定程序》[5]的要求，材料規(guī)范作為型號設計資料的一部分，必須得到適航審查代表的批準，表明符合性時，編制的試驗大綱、試驗報告、計算和分析報告、符合性說明報告，是型號符合性驗證資料的一部分，也必須得到適航審查代表的認可和批準。

在工程實踐中，表明使用的材料滿足適航603和613條款要求的符合性驗證過程有兩個層面的要求，第一個層面是材料規(guī)范中性能指標的制定滿足條款的要求，第二個層面是型號中使用的材料滿足材料規(guī)范中給出的性能指標的要求。在第一個層面上，材料規(guī)范若要得到適航當局的批準，需要用大量的試驗數(shù)據(jù)來表明給出性能指標的合理性，適航代表需要對材料性能指標的制定進行監(jiān)控或委托信任的專業(yè)組織進行；第二個層面的驗證要求也需要專門的試驗或試驗數(shù)據(jù)來表明使用材料對指標的符合性，這類工作技術(shù)要求內(nèi)容比較多，實施需要專業(yè)的技術(shù)人員和設備，驗證周期也比較長，在型號研制過程中，開展材料規(guī)范的驗證工作，對工程設計人員和適航審查人員來說，是比較繁重的工作任務，如果材料符合性驗證類的工作能夠單獨完成、預先完成，這樣不僅節(jié)省時間，而且可以降低型號項目的研制風險。

國外適航當局的工作方式給出了一些材料規(guī)范適航符合性驗證思路，如美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)借助材料行業(yè)的專業(yè)化工作、企業(yè)自身的質(zhì)量體系和整個社會誠信體系，減少型號研制中審查材料規(guī)范的工作任務，如通過行業(yè)材料規(guī)范和行業(yè)材料性能手冊，進行間接適航管理。在金屬材料方面， FAA和EASA接受公布于MMPDS[6]手冊中的材料設計值，MMPDS所列出的材料規(guī)范直接可作為603條款的符合性證據(jù)；在復合材料方面，F(xiàn)AA接受NCAMP建立的復合材料行業(yè)規(guī)范作為條款的證據(jù)，接受NCAMP建立的復合材料設計值作為613條款的證據(jù)[7,13]。

4 材料規(guī)范適航符合性驗證方法

作為局方認可的三類標準：技術(shù)標準規(guī)范CTSO(對應國外TSO)、行業(yè)規(guī)范和用戶規(guī)范，由于規(guī)范制定的過程、驗證的充分性等的差異，其滿足條款的方式也會有所差異。結(jié)合工程實踐，可以采用下面的方式分別進行驗證：

1)技術(shù)標準規(guī)范

CTSO是局方認可并發(fā)布的一類技術(shù)標準，按CCAR-21.351條～371條和CCAR37[8]進行認可和管理，某企業(yè)的CTSO材料如果取得了CTSOA證，則可以供飛機使用，在型號驗證中以符合性說明(MOC1)的方式表明即可。

2)行業(yè)標準類材料規(guī)范

對于行業(yè)標準，包括軍用規(guī)范，如果此種材料在局方以TC、STC、VTC、VSTC方式認可的飛機上使用過，則在型號的合格審定過程中可以以MOC1的方式進行驗證，如果沒有，則必須以試驗室試驗(MOC4)的方式進行驗證，此時存在兩種情況：

(1)行業(yè)標準沒有使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累計，則必須進行第一層次的材料指標以確定合理性，并進行第二層次，即使用的材料滿足規(guī)范指標的驗證；

(2)行業(yè)標準有足夠的使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累計，則只需進行第二層次的要求驗證，此時如果使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累計很充分，可以與局方就試驗內(nèi)容進行溝通，只對局方關(guān)注的指標進行驗證。

3)用戶規(guī)范

用戶材料規(guī)范是申請人通過試驗或經(jīng)驗建立的材料規(guī)范，如果使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累計充分，則只需進行第二層次的要求驗證，否則必須進行全部第一層次和第二層次的驗證，試驗過程要得到局方的充分監(jiān)控、審查，最終得到批準。

5 材料規(guī)范符合性驗證建議

材料規(guī)范驗證是一項基礎性、通用性的工作，但目前國內(nèi)多是在某一具體飛機型號研制過程中開展工作。我國很多材料規(guī)范在制定時并沒有專門考慮603條款和613條款的要求，適航局方?jīng)]有參與，所以目前材料規(guī)范的適航認可程度較低，型號研制過程中的材料規(guī)范驗證工作是為了表明型號使用的材料引起的風險得到了有效控制、化解，但在某一飛機型號研制中，專門的材料規(guī)范驗證工作是一項不小的負擔，且有可能會造成進度上的沖突，針對這種情況，本文提出幾點建議：

1)建立適航認可的數(shù)據(jù)庫，由適航當局牽頭，工業(yè)部門協(xié)作，實現(xiàn)適航驗證符合性證據(jù)資料的共享，同時將認可的行業(yè)標準和CTSO標準納入適航認可的數(shù)據(jù)庫，避免型號合格審定時不必要的重復工作。

2)專項開展CTSO和CTSOA的審查、認可和發(fā)布工作，材料規(guī)范的認可工作，使材料規(guī)范的適航認可工作獨立于型號合格審定之外，同時借助中歐、中美適航當局之間的雙邊協(xié)議，對接國內(nèi)國外材料研制的質(zhì)量保證體系，積極推動公開成熟的材料規(guī)范的適航認可工作。

3)在制定材料規(guī)范標準時，嚴格貫徹適航條款的要求，邀請適航當局全程監(jiān)控、監(jiān)督標準的制定工作，使得材料規(guī)范發(fā)布時得到適航當局的認可。

6 結(jié)論

飛機型號合格審定工作的核心目的是使風險因素得到控制和化解，保障飛機在整個全壽命周期內(nèi)的使用安全性。新材料的使用有助于提高飛機的性能，但不可避免地帶來了材料規(guī)范的符合性驗證工作，材料規(guī)范驗證周期容易和型號項目周期產(chǎn)生沖突，所以材料規(guī)范的驗證工作最好是單獨專項進行，此項工作需要進行頂層協(xié)調(diào)規(guī)劃。材料的應用風險控制和實踐經(jīng)驗相關(guān)聯(lián)，在驗證工作中要圍繞“安全性”這一核心問題，保證使用安全的前提下，結(jié)合中國的實際情況和實踐累積的經(jīng)驗，優(yōu)化適航驗證中不必要的流程和內(nèi)容，促進民用飛機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。