通用飞机复合材料胶结修理规范与适航要求

2015-02-03杨亚宁毛可毅邹田春

航空标准化与质量 2015年1期

关键词：航空器塑性复合材料

杨亚宁毛可毅邹田春解江

（中国民航大学，天津 300300）

通用飞机复合材料胶结修理规范与适航要求

杨亚宁毛可毅邹田春解江

（中国民航大学，天津 300300）

分析了国内外适航规章对通用飞机复合材料修理的适航要求，复合材料胶结修理基本理论与有关规范，复合材料发现损伤后从修理设计直到适航批准流程。

通用飞机；复合材料；胶结修理；适航要求

通用飞机复合材料结构在使用和维修过程中，常会遭受低速冲击损伤、离散源损伤、雷击损伤和环境侵入损伤等多种类型的损伤。当发现超出可允许损伤限制（ADL）的损伤后，为了使复合材料结构的承载功能得到恢复，必须立刻实施修理。对于通用飞机层合板结构，常用的修理方法包括螺栓连接修理，胶结修理和铺层修理。胶结修理具有成本低，重量低，无钻孔引起的应力集中，能获得较为光滑的气动外形等优点，因此是目前通用飞机复合材料结构上普遍采用的修理方式[1]。适航标准是对民用航空器提出的最低标准性要求，对飞机结构修理的最终目的是使得飞机结构重新恢复到满足初始适航要求的状态。本文对复合材料的胶结修理的适航符合性问题进行了研究。

1 通用飞机复合材料结构修理适航要求

1.1 通用飞机适航标准

从事通用航空活动的航空器可以分为飞机（正常类、实用类、特技类、通勤类、运输类）、旋翼航空器（正常类、运输类）、超轻型飞行器、轻型运动航空器、甚轻型飞机等。根据通用飞机不同的设计特点和运行条件，其审定要求也是不同[2]。通用飞机的相关分类和适航要求可见表1。

表1 通用飞机分类及适航要求

上述通用飞机按照对应的适航标准，还可以分为3类，第1类是具有明确适航标准的通用飞机，即该类通用飞机具有对应的规章给出初始适航审定标准，例如正常类、实用类、特级类、通勤类飞机，及正常类和运输类旋翼机；第2类是通用飞机没有适航审定标准，但具有相关的运营要求，例如超轻型飞行器，轻型运动飞机，滑翔机等；第3类为不受民用航空规章限制的航空器，例如业余自制航空器。从修理要求来讲，上述的第一类通用飞机在适航要求上比较完善与成熟，相对安全性标准也更高。

1.2 复合材料结构修理的适航要求

适航标准是对飞机设计提出的要求，目前适航上对于结构修理问题主要以咨询通告（AC）的形式给出指导。联邦航空局（FAA）发布的与通用飞机复合材料胶结修理相关的AC包括有AC 20-107B《复合材料飞机结构》，AC 21-26A《复合材料的质量控制与制造问题》，AC 145-6《飞机复合材料搭接结构维修站点》，AC 65-33《复合材料维修技术文件信息的培训/管理方案的制定》和AC 43-214《飞机复合材料搭接结构的修理和改装》等。

针对复合材料结构的修理方法还取决于修理程度[3]，而修理程度是由结构的损伤严重程度确定的。按照损伤危害性，可将复合材料结构修理分为表2中的A、B、C和D类，对于这4类修理的符合性措施见表2。此外，必须考虑到重复载荷对静强度的影响。

表2 按损伤危害性分类与符合性措施

2 通用飞机复合材料结构胶结修理设计与规范

2.1 修理方案设计过程

修理设计是一个多阶段的过程（见图1），包括依据胶结强度准则评估可修复性的标准；计算所需的粘接长度和补片尺寸，确定修补片的几何形状；检查修理后结构的完整性；检查疲劳敏感处，验证修理后结构耐久性；计算可接受的胶结缺陷尺寸，确定检查要求。

图1 维修设计的工艺流程

2.2 结构损伤可修复性准则

胶结修理的一个最主要的优点是胶结强度可以设计成比修理对象材料在无缺陷情况下的屈服强度大[4]。一种快速判别结构损伤是否在修理容限内的一个准则是，如果修理的胶结强度除上一个给定的安全系数后，仍大于修理对象材料在无缺陷情况下的屈服强度，则该损伤在修理容限内。需要注意的是，不满足上述准则并不意味着受损结构是不可修复的，它只是表明该结构需要进行更深入的修理或者原修理方案需要结合设计通过具体的分析来进行验证。

2.3 胶结面积

粘接面和修补件的剪切应力在搭接区域的两端达到最大。若载荷更高，胶结面会在两端呈塑性。为了便于分析，胶结面一般视为理想的弹塑性，所以塑性区会存在于胶结面的端部（见图2）。如果将塑性区设计的尺寸足够大来承担屈服载荷（见图3），胶结面的胶结强度将会大于母材料。因此需要进行具体分析或者对于次要结构采用这种修理方法。

图2 粘接接头粘合剂的假定剪应力分布

图3 弹性区和塑性区的维修搭接长度

3 通用飞机复合材料修理方案的适航批准

当FAA批准的文件或维修手册中有给出修理方案时，应用分析和/或试验来表明该修理方案和技术会使结构恢复到适航状态[5]。维修大纲中必须对可修理结构部件的损伤形式和修理容限（RDL）进行详细描述。还必须明确规定不需修理的可允许损伤限制（ADL）。RDL和ADL均必须基于足够的分析和试验数据得到。对于设计验证过程中没有考虑到的损伤类型和尺寸，一般要求额外的数据证据。某些类型的损伤可能需要专门的外场修理指令和相关的质量控制要求。

对于超出维修大纲范围的主要结构修理或更换工作，应确保对维修的验证中能够开展并获得初始结构验证所需的大量分析、设计、工艺和试验，应保存相应的验证文件和批准单，来支持后续的维护工作。

维修中采用的结构胶结设计和工艺步骤应表明满足相应要求，其中重点关注的问题有胶结材料的相容性、胶结表面制备（包括烘干、清洁和化学处理）、固化加热控制和材料的机械加工等有关内容。还必须对紫外线层，结构表面保温层以及防雷击特征进行修复。