某型飞机腹鳍的无损检测与修理

王　江,徐进军,江　茫

(长沙航空职业技术学院, 湖南 长沙 410124)

某型飞机腹鳍的无损检测与修理

王江,徐进军,江茫

(长沙航空职业技术学院, 湖南 长沙 410124)

摘要：在对某型飞机腹鳍的无损检测过程中，发现了面板与蜂窝层的分层损伤。按照飞机结构修理标准工艺相关规定，对损伤区采用铺层打磨蜂窝全厚度尺寸挖补法进行修理，以恢复其气动外形和结构强度并对修补效果进行射线检测评估。实验结果表明，该检测、修理程序合理、可靠，对保障飞机蜂窝复合材料结构件的检测与修理具有重要作用。

关键词：飞机腹鳍；无损检测；分层损伤；修理

腹鳍是布局在飞机机身的气动部件，其主要作用是侧滑时增加飞机航向稳定性，尤其在大迎角飞行中，能有效减缓飞机的飘摆，因而该部件对高机动飞机飞行来讲是不可缺少的。飞机腹鳍在服役过程中，由于疲劳、老化等原因，容易产生蒙皮基体损伤、蒙皮纤维断裂、分层损伤和蜂窝芯层脱粘等损伤。因此，为保证飞机的飞行安全，在飞机的大修期间，必须建立相应的无损检测技术对飞机腹鳍进行100%的无损探伤[1-4]。

目前，用于飞机腹鳍无损检测的方法主要有涡流探伤、超声波探伤、射线、微波、声发射检测、红外热成像等方法。如果发现损伤，必须选取相应的修理方式及时进行修复[5-8]。

1腹鳍常见损伤及原因

在制造过程中由于加工工艺、方法不当可能造成：气层、层合剥离、蜂窝形变、多层开裂，接合面分离、异物夹杂、鼓包等损伤类型；在飞机机动飞行时产生的疲劳裂纹和腐蚀磨损。通过对多起飞机翼面复合材料损伤进行统计，如表1所示，造成这些损伤的典型原因是由于维护不当、FOD(外来物)撞击、磨损，鸟击、雷击损伤，砂石、疲劳和过热，液压油渗漏腐蚀等。

表1 飞机翼面复合材料损伤分布

2无损检测与修理

2.1无损探伤

无损检测技术(Non-destructive Testing ，NDT)是在不损害结构外形、材料特性、工件功能特性的前提下,用于检测部件特征质量,确定部件性能达到工程技术要求,是否能满足继续服役的技术方法。是检验产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命的可靠技术手段。复合材料确定进行修理之前，必须对损伤和缺陷进行检查评估。表 2列出了针对某型飞机腹鳍的各种检测方法可检的损伤及检测结果的可靠性。

表2 各类损伤检测结果

注：1-可检表面损伤 2-可能检测，但不可靠 3-检测结果可靠

结合本型腹鳍的损伤类型，在满足无损检测探伤的检测灵敏度条件下，还应当考虑经济因素。因此，主要选择目视检测方法检测飞机腹鳍的表面，超声波、射线检测方法检测工件内部。

2.2损伤评估

飞机腹鳍复材部件的损伤评估主要包括五个部分，整体损伤评估、损伤定位、表面铺层厚度识别、确定修复区、允许修复的限制区。通过分析腹鳍在机体上安装位置，材料类型，气动载荷系数，损伤区域范围等作为参考来综合评估损伤确定维修的必要性。把损伤分为翼面允许损伤、可修复损伤和不可修复换新件三类。

分层损伤区域最小外圆直径小于30mm，对于复合材料腹鳍这类损伤一般不会降低过多结构件的强度；在以交变循环正应力气动载荷为主的作用下,如果分层范围比较小,表层应变水平比较低,可以不加修理,这就可以理解为翼面允许损伤。但是，如果发生在高应力区的大面积分层必须修理和排除。当损伤的大小超过了相关允许的标准时，其维修的可靠性下降影响飞行安全且维修成本大幅度升高，一般只能按功能号更换新件。例如按波音BAC5000规定损伤界定的标准是以新腹鳍制件面积的 15%作为分界线，如果超过面积的 15%时就应当换新。这种情况下，可认为不可修复损伤。

2.3损伤修理

腹鳍复合材料修理分为航线临时性修理和基地永久性修理。飞机腹鳍的修理必须满足恢复腹鳍结构的气动外形、恢复其结构承载能力和抗扭性能、修理后结构重量增加较小、不得损伤周边区域，因此必须对飞机腹鳍的结构修理进行探讨和研究。

复合材料结构的修理方法分为非补片式修理方法和补片式修理方法，不同的修理方法适用范围见表3。常用方式有粘接剂刮涂抛光法、单双侧贴补法、部分或者全厚度尺寸挖补法等。

表3 不同的修理方法适用范围

2.4 结构部件修理的检测

损伤结构区域永久性修理完成之后必须再次无损检测，主要是评估修理后飞机的结构强度是否满足飞机飞行的安全标准，满足飞机的适航性要求。修理后的检测主要包括外观检验，内部缺陷检测，性能检测。

3某型腹鳍无损检测与修理

飞机服役时间跨度长，飞行上万个小时，腹鳍的密封胶老化性能下降，在渗水，大幅度温度变化等因素的共同作用下，容易造成内部积水，积油进一步引起增重、脱胶、内部腐蚀等损伤，从而危及飞机的飞行安全。因此，在飞机定期大修期间，必须对腹鳍进行100%无损检测。我们主要选择目视检测方法检测飞机腹鳍的表面，超声波、射线检测方法检测工件内部。

3.1超声波检测

超声波是指频率大于或等于20 kHz的声波,超声波检测是利用超声波在材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。当超声波在介质中传播时，在异种材料介面将发生回波、折射和畸变等复杂的波型转换，使超声波被吸收和散射，接收分析反射信号即可实现对缺陷的检测。并根据超声波信号在材料内部缺陷区域和正常区域的反射方向、衰减强度变化差异来确定缺陷的类型、位置和大小。

由于在役飞机腹鳍常见的损伤为低应力冲击在夹层复合材料表面会目视不可检的损伤，并在层合区形成圆锥形的分层。针对这类与工件表面平行的缺陷，A型脉冲反射式的超声波检测具有较高的灵敏度。因此，选用了由北京某研究所研制的FCC-D复合材料超声检测仪和针对腹鳍的结构特点配套了专用的超声波水膜聚焦换能器。根据仪器波形显示信号发现缺陷，利用聚焦探头的聚焦特性以打点的描绘形式来确定损伤的范围。

通过超声波检测，确定腹鳍的面板与蜂窝层产生了分层损伤，呈不规则圆形，最大直径约为41mm，会影响气动性能，需要局部修理。

3.2修补

该型腹鳍是典型的蜂窝夹芯结构(见图1)，蜂窝由折叠成120°的玻璃纤维布粘接组合构成，经切割修整成玻璃布蜂窝芯材，通用正六边形，铺层面板为3层玻璃纤维布粘接层压板。腹鳍蜂窝夹芯结构从机身连接部位一直延伸到腹鳍安定面边缘，厚度从根部到外缘呈楔形形状。

图1 蜂窝夹芯结构含水

根据该型飞机飞行有关标准以及结合实际修理情况对该分层区域采用阶梯型全厚度挖补法进行修补。

1)清除损伤部分

在腹鳍损伤区域表面用水彩笔确定出直径45mm英寸的圆形损伤切割线，打磨范围区直径约为240mm英寸并注意分离打磨区和用胶布保护未打磨区。用带保护支架的气动切割刀按照单侧面板与蜂窝芯逐层切割的方式去除铺层和蜂窝的损伤部分，注意保护另一面。

2)表面处理

用砂纸打磨去除腹鳍表面的油漆层，表面的清洁如图2所示。注意打磨时必须顺着表面纤维方向进行，以免损伤纤维层。

图2 表面的清洁

3)修理前的打磨

在表面画线，如图3所示。将修理区域周边粘贴上胶带，保护周边复合材料。用专用砂片使用气动打磨机进行打磨，首先去除漆层，按等间距等厚度进行阶梯型斜面打磨，如图4所示。将裸露的蜂窝芯切除。在内部用一个小磨轮除去任何残留的蜂窝芯，之后用吸尘器清理掉修理区的磨屑。

图3 画线

图4 阶梯打磨截面

4)蜂窝部分的修理

首先确定填充夹芯蜂窝尺寸。蜂窝材料与原材料保持一致，平面尺寸与打磨尺寸一致略小(1～2)mm。最大高度为40mm，高度应与原夹芯高度一致，并按照原夹芯的斜度进行切割，以便适应安定面的楔形变化。蜂窝沿展向为楔形形状制作填充夹芯塞。清洁干净后塞入蜂窝，周围间隙用胶膜、发泡胶填充。打磨掉多余的部分清洁好后即完成蜂窝的修理，蜂窝修补如图5所示。

5)铺层的制作

按照胶粘面积的大小和层数预制玻璃纤维布浸带并两面进行清洗和风干，然后选用同型号的胶粘剂调配好。将胶混合均匀后，剪出各个铺层。在玻璃纤维布上进行双面涂覆，胶层厚度以0.1～0.12 mm为宜。铺设时注意纤维的方向。

6)铺层胶接

准备修理铺层模板，在模板上面各层位置层次关系标出铺层编号及方向。修理铺层前4层与切口在同样的尺寸，而修理后续铺层应当延伸到蜂窝芯的边缘。称量所用铺层碳布的质量，称量同等质量的树脂各组份。按说明书混合树脂，注意应在树脂适用期内完成全部操作。用刮板刮平，去除多余粘接剂，赶出其中的气泡，防止起皱。

7)加强

提高修补过渡区域粘接强度，上下相邻的两层搭接。保证附加层与面板搭接宽度至少20 mm。

8)后处理

夹芯塞和面板铺层完毕后，坚强固化效果必须使用热补仪加热保温或者放置电热毯。在支撑板外部下蒙皮上制作一个真空袋。在真空袋上铺设两层玻璃布后扣上热补仪加温罩。在整个固化过程中应施加和保持0.3压力真空。固化温度80-900C，保持2—4h，完成之后喷涂保护漆层。在修补的过程中，必须注意操作方式和工艺，以免造成人为差错或损伤(见图6a-h)。

(a) 铺层不均匀　　　　　　　(b) 热电偶压痕　　　　　　　(c) 温度过高　　　　　　　(d)未恢复紧固件孔

(e) 表面刮花　　　　　　　　　(f) 未恢复打磨　　　　　　　　(g) 过渡打磨　　　　　　　(h)过渡切割

全厚度蜂窝挖补修理如图7所示，经过合理的修补之后，还必须对修理区域进行质量评估。

图7 全厚度蜂窝挖补修理

3.3 修补区域质量评估

修补过程中可能造成，气孔、缺胶等面积型缺陷一般NDT检测有三种类型。

第一种：选用X射线照相技术。对修补区域进行质量检测鉴定，X射线使用较少,主要用于叠加两个板的影像显示，产生黑度差异如图8所示。

图8 X射线检测影像黑度差异示意图

第二种：DR检测技术。如果修补区域存在气孔或者缺胶这类体积型缺陷，由于缺陷处对射线的衰减要低于完好区域，因此在缺陷处的图像显示与其周边一定会有黑度差异。图9所示为检测过程中对完成腹鳍损伤修理区域的DR检测图像。示意图中可以看出，修补区域图像标识的特征区域(红圈区域)与周边完好处不存在明显反差，说明修补胶接过程操作可靠。结合其它的性能测试手段，保证了修补质量，满足了使用要求。

图9 修补区域的DR检测图像

第三种：热成像技术。飞机腹鳍区域在受到红外辐射时，温度升高，随温度升高辐射能量就会增加，辐射波长减小。红外测温技术是根据材料发出电磁辐射的强度作为温度的函数。最终维修件辐射强度和温度变化即能显示内部损伤修复情形，见图10。适用于对温度敏感的气泡和裂纹积水损伤修复后的检查。

图10 损伤修复区域热成像

4结论

在飞机大修期间，首先必须对飞机腹鳍进行100%无损检测。如果发现损伤，必须确定缺陷的类型和大小，然后按照标准选用合理的修理方法。通过对某型飞机腹鳍分层损伤进行无损检测对损伤进行评估，确定维修方案和维修计划。按永久性修理对飞机腹鳍损伤区进行阶梯型全厚度挖补法修理方法修复，取得了较好的效果，满足了飞行要求。在进行飞机腹鳍结构修理时，需要特别注意的是修理过程环境的清洁，一定要保证施工区域的无尘环境。按照规定细心操作，加强过程检查做好记录，防止造成返工和人为因素造成的损伤。

参考文献：

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[编校：张芙蓉]

Repairing and Non-destructive Testing of the Ventral Fins on One Type Aircraft

WANG Jiang，XU Jinjun,Jiang Mang

(ChangshaAeronauticalVocationalandTechnicalCollege,ChangshaHunan410124)

Abstract：In the process of non-destructive testing of an aircraft pelvic fins, delamination damage between the panel and the honeycomb layer was found. In accordance with the relevant provisions of the standard process of aircraft structural repair, the damage area was repaired using overlay layer by layer thickness polished honeycomb full size patching repair method to restore its aerodynamic shape and structural strength, and the repair effect was X-ray detected and evaluated. Experimental results show that the testing and repair procedures are reasonable and reliable, which will play an important role on ensuring the detection and repair of aircraft honeycomb composite structure.

Key words：the ventral fins；non-destructive testing；delamination damage；repairing

收稿日期：2016-01-27

作者简介：王江(1986- )，男，江西高安人，研究方向为飞机结构附件修理方面研究。

中图分类号：V250.2

文献标识码：A

文章编号：1671-9654(2016)02-039-06