民用飛機復合材料結構在位修理環境控制方法研究

劉愛平 林仁偉 陳壁茂

摘要：在深入解讀波音787、空客A350飛機修理手冊不離位（以下統稱在位）修理相關章節的基礎上，結合波音787大翼復合材料結構某類修理工作，研究開發出一種用于民用飛機復合材料結構在位修理環境控制的方法。該方法經過多次修理驗證有效，較好地滿足了波音787復合材料結構在位修理工藝要求。

關鍵詞：飛機復合材料結構；在位修理；環境控制方法；溫度；濕度；空氣懸浮粒子濃度

Keywords： aircraft composite structure；in-site repair；environmental control method；temperature；humidity；airborne particle count per cubic foot

0 引言

現代新型民用飛機如波音787、空客A350廣泛采用復合材料來設計飛機機體結構，其用量已超過整機質量的50%（見圖1、圖2）。兩大機型的重要結構如機身蒙皮、大翼翼盒（wing box）、水平安定面主扭力盒（main torque box）等均使用了復合材料。隨著波音787、空客A350投入運營時間的增加，飛機復合材料結構損傷修理日益增多。一旦復合材料結構在航線運營過程中受損，必須考慮在位修理問題。重要結構修理對環境要求很高，但波音、空客飛機的復合材料在位修理只在修理手冊里提供了技術指標，沒有提供操作性強的方法，這給各航空公司造成了極大困擾。

本文結合波音787大翼復合材料結構某類修理工作的需要，研究開發了一種用于民用飛機復合材料結構在位修理環境控制方法，可有效控制飛機復合材料結構在位修理的環境，較好地提高了復合材料結構的修理質量。

1 民用飛機復合材料結構在位修理環境控制方法的現狀

波音787、空客A350復合材料結構使用的部位及修理方式與老一代機型不同，老一代機型中復合材料為次要結構，其受損不會嚴重影響飛機安全運行，而新機型中復合材料已在重要結構上使用，其受損可能影響甚至危及飛行安全。在修理方式上，老一代機型的復合材料結構多可拆卸，可以離位[1]送到車間潔凈室進行修理，而波音787、空客A350復合材料結構多為整體成型，大部分不可拆下修理。

在民用飛機復合材料結構修理中，合理的修理環境對修理質量的影響非常大，修理環境中的溫度、濕度以及空氣懸浮粒子濃度會影響復合材料結構修理后的力學強度，如果這三項指標達不到要求，修理區域復合材料補強件就不能恢復結構損失的承載能力，修理質量也就達不到適航要求的標準。尤其是，波音787、空客A350在重要結構上使用復合材料，如果修理環境達不到工藝要求，導致的修理質量問題可能影響甚至危及飛行安全。

民用飛機復合材料結構修理位置的復雜性給復合材料結構在位修理環境控制方法的研究增加了困難。縱觀國內外民用飛機維修行業，復合材料結構在位修理環境控制方法均處于探索階段，未見提出有效的控制方法和控制手段。

2 民用飛機復合材料結構修理環境工藝要求

目前，民用飛機結構修理手冊（SRM）給出了復合材料結構鋪層修理區（包括潔凈室和潔凈區）關于環境工藝的基本要求[2-4]，但未提供操作性強的復合材料結構在位修理環境控制的方法。例如，波音787修理手冊中關于復合材料結構鋪層修理區的環境工藝基本要求為：溫度4℃～32℃，相對濕度<65%，空氣懸浮粒子濃度為直徑>0.5μm、顆粒數<400000/ft3，如圖3所示。又如，空客A350修理手冊中關于復合材料結構鋪層修理區的環境工藝基本要求為：使用兩種特殊環氧碳纖維預浸料（件號HexPly M20/34%/194/ IM7-12K和HexPly M20/34%/134/IM7-12K）時，溫度18℃～27℃，相對濕度20%～70%，空氣懸浮粒子濃度為直徑>5μm、顆粒數<29300/m3[5]，如圖4所示；使用其他修理材料時，溫度18℃～30℃，相對濕度<75% 。

民用飛機復合材料結構維修實踐證明，對于離位修理，要滿足以上環境工藝指標較為容易，而對于在位修理，要滿足以上環境工藝指標較為復雜。

2019年1月起，廣州飛機維修工程有限公司需要執行一架波音787大翼復合材料結構某類修理工作[6]，該類工作需要在機庫環境中在位修理。為了保障飛機維修質量，需要開發適合于波音787大翼復合材料結構在位修理的環境控制方法。

3 環境控制方法概述

3.1 環境控制裝置的組成

本文中環境控制方法研究的核心是開發了一種可控制飛機復合材料結構在位修理環境工藝的裝置，如圖5所示，該裝置的組成如下：1-溫度、濕度控制組件，包括移動空調機、除濕機和通風管附件等；2-空氣凈化組件，包括抽氣組件、送風組件、高效空氣過濾芯和通風管附件等；3-密閉式隔離罩組件，包括充氣式四面拱形透明塑料帳篷、充氣泵和通風管附件等；4-測量儀表組件，包括空氣懸浮粒子計數儀、溫濕度表。另外，在帳篷的兩個對邊留有開口，一個用于輸送鮮風，一個用于排風和人員出入；在帳篷的正下方留空并設置裙邊，以便接近修理位置、下方固定密封。

3.2 環境控制裝置的基本操作方法

本文中環境控制裝置的基本操作方法為：在需要執行在位修理的飛機復合材料結構區域，如波音787大翼上部，使用充氣式四面拱形帳篷搭建一個密閉隔離空間；通過移動空調組件，經過高效空氣過濾器，向帳篷內輸送干凈的、溫度和濕度達標的空氣；啟動抽氣、送風組件，使帳篷內形成鮮風正壓，搭建一個密閉式潔凈區；通風一段時間后測量帳篷內的環境工藝指標合格，修理員即可進入帳篷內開始修理工作；保持控制裝置持續運作至工作結束，從而保證潔凈區的環境滿足飛機修理手冊的要求。

3.3 環境控制方法的應用

本文中的環境控制方法經過地面調試后，已成功應用于多架波音787飛機大翼上部復合材料結構在位修理工作。環境工藝指標（溫度、濕度、空氣懸浮粒子濃度）和持續工作時間均滿足波音787結構修理手冊（SRM）的要求，如圖6、圖7所示。

表1列出了3架波音787大翼上部在位修理環境工藝數據統計。其中，標準值是指飛機修理手冊規定的數據，潔凈區外是指密閉式隔離罩外部，潔凈區內是指密閉式隔離罩內部。從表1可以看出，該控制方法明顯降低了潔凈區內的空氣相對濕度和空氣懸浮粒子濃度，完全達到了修理手冊規定的環境工藝指標。

4 結論

本文給出的環境控制方法能夠有效控制波音787大翼復合材料在位修理的環境工藝指標，從而較好地提高了飛機復合材料結構在位修理質量。另外，通過改變密閉式隔離罩組件的構型，該方法也可以應用于波音787大翼之外其他區域的復合材料結構修理（在位或離位）中，如波音787、空客A350的機身蒙皮、水平安定面主扭力盒等。

參考文獻

[1] CAAC CCAR-145-R3中國民用航空局.民用航空器維修單位合格審定規定 [S/OL]. 145.19，2005-09-27.

[2] Boeing .787 Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [Z]. B787-A-51-70-01-02A-010A-A，Mar 27/2020.

[3] Boeing. 787 Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [Z]. B787-A-51-70-01-03A-010A-A，Mar 27/2020.

[4] Airbus. 350 Aircraft Breakdown Manual CSN [Z]. A350-A-51-77-11-01001-667A-A，Jan 01/2020.

[5] ISO 14644-1：2015（E）[S/OL]. 4.3 ISO Class number.

[6] Boeing .Aircraft Service Bulletin B787-81205-SB570030-00 [Z]. Issue 001，Mar 17/2017.

作者簡介

劉愛平，高級工程師，復合材料修理車間主任。

林仁偉，工程師，主要負責飛機復合材料現場結構修理。

陳壁茂，工程師，主要負責飛機復合材料現場結構修理。