运输类飞机复合材料结构适航专用条件应用研究

高远，马立敏

(1.中国民用航空上海航空器适航审定中心 航空器评审室，上海 200335)(2.北京民用飞机技术研究中心 强度分析技术研究部，北京 102211)



运输类飞机复合材料结构适航专用条件应用研究

高远1，马立敏2

(1.中国民用航空上海航空器适航审定中心 航空器评审室，上海 200335)(2.北京民用飞机技术研究中心 强度分析技术研究部，北京 102211)

相比于传统金属材料，复合材料在飞机结构上的大量使用不仅给飞机设计和制造带来了挑战，也给飞机的适航取证带来了诸多难题。从运输类飞机复合材料结构五个重点适航专用条件入手，对相关专用条件建立的原因、要求以及符合性验证的要点进行应用研究。本文的研究工作可为未来国产复合材料飞机适航审定和进口复合材料航空器型号认可提供参考和借鉴。

运输类飞机；复合材料；适航；专用条件

0 引 言

先进复合材料在民用运输类飞机主结构上的应用可以追溯到20世纪80年代，通过适航审定，复合材料被首先应用于空客A310/A300飞机的垂直安定面[1]。相比于传统铝合金材料，先进复合材料具有高比强度、高比刚度、优异的抗疲劳和耐腐蚀性、力学性能可设计等优点。复合材料在民用飞机上的使用比例呈逐年增长的趋势，如图1所示[2]。最新一代的波音B787和空客A350飞机，复合材料的使用比例分别达到了50%和53%，它们的机翼盒段及机身桶段主要采用碳纤维增强复合材料(CFRP)制造[3-4]。国内，ARJ21支线飞机仍以金属材料为主，新一代C919干线飞机则使用了12%的复合材料，有业内专家透露，未来国产宽体飞机计划将增加复合材料的应用比例到51%左右[5]。如今，复合材料的使用量已经成为评价民用飞机先进性的重要指标，也是航空制造企业博弈的重要砝码。

图1 复合材料在民用飞机上的使用比例

得益于复合材料的大量应用，新一代民用飞机变得更轻、舷窗更大、舱内环境更舒适。然而，复合材料的大量应用不仅给传统飞机设计及制造带来了巨大挑战，也给飞机的适航取证带来了诸多难题。

本文选取运输类飞机复合材料结构适航认证所面临的五个重点问题，研究相关专用条件建立的原因、要求以及符合性验证的要点，以期为未来国产大飞机的适航取证和进口航空器型号认可提供参考。

1 复合材料的使用对适航取证的影响

中国民航规章CCAR-21部第16条定义“专用条件”为：对提交进行型号合格审定的民用航空产品，由于下述原因之一使得有关的适航规章没有包括充分或者适用的安全要求，由民航总局适航部门制定并颁发专用条件：

(1) 民用航空产品具有新颖或独特的设计特点；

(2) 民用航空产品的预期用途是非常规的；

(3) 从使用中的类似民用航空产品或具有类似设计特点的民用航空产品得到的经验表明，可能产生不安全状况。

专用条件应当具有与适用的适航规章等效的安全水平[6]。

复合材料的大量使用常会使新的航空器具备一些较传统金属结构航空器新颖或独特的设计特点(Novel or Unusual Design Features)，致使现有的适航规章不能提供针对上述设计特点充分或者适用的安全标准，因此需要通过建立专用条件来保证航空器的等效安全水平(Equivalent Level of Safety)。专用条件是对现有适航规章的补充或者替代，它具有同等的法律效力。若某个专用条件不仅仅只适用于某单个航空器产品，即该专用条件被认为普遍适用于大范围的其他航空器产品，则在保证现有的安全水平不会下降的前提下，适航当局有可能会修改现有的适航规章以适应新的普遍性现象[1]。

以前，复合材料在民用飞机主结构上的使用仅局限于水平尾翼和垂直尾翼部件，与传统的金属飞机相比，其在设计上的变化并不大，故在型号合格审定过程中，只有少数用于表明复合材料结构符合性的专用条件，且现有的咨询通告(例如AC 20-107B)就能很好地提供契合的符合性方法[1,7]。然而，随着波音B787和空客A350等新一代民用飞机的推出，复合材料被大量应用于机身、机翼以及油箱结构，现有的规章和咨询通告已无法提供充分或适用的安全标准，因此，各国适航当局颁布了诸如飞行中火灾、适坠性、燃油箱碎片击穿等一系列针对性的专用条件。相关专用条件不仅对飞机的适航审定具有重要影响，对飞机设计的影响则更为直接，开展运输类飞机复合材料结构相关专用条件应用研究具有重要意义。

2 运输类飞机复合材料结构适航重点专用条件

本文主要参考FAA针对波音B787飞机适航审定所建立的与复合材料结构相关的五个重点专用条件，研究相关专用条件建立的原因、要求以及符合性验证的要点[8]。鉴于CCAR-25部源自FAR 25部，故以FAR 25部作为研究参考[9-10]。

2.1 坠撞应急着陆

飞机的适坠性主要取决于机身的冲击响应特性。FAR关于应急着陆的条款25.561和25.562对飞机的应急着陆情况作了明确要求[9]。上述条款的颁布和修正是基于机队的运营经验和相关机构的研究和试验，反映了传统铝合金机身飞机坠撞应急着陆的可生存性要求[11]。其中最著名的试验研究是FAA主导的B737飞机机身桶段垂直坠撞试验，如图2所示，其过程详见文献[12]。

图2 B737机身桶段垂直坠撞试验

复合材料具有不同的延展性、刚度、失效模式和吸能特性。目前被大量应用于新一代复合材料飞机主结构的CFRP材料，比传统铝合金材料更“脆”，几乎不发生塑性变形，即其吸能特性较差，因此，一些业内专家对波音B787飞机的适坠性有所质疑[13]。另外，复合材料层压板复杂的失效模式也给有限元数值仿真分析带来了巨大困难。从工程角度看，复合材料机身对飞机的适坠性带来的挑战是显而易见的。

从适航角度考虑，为了保证复合材料机身结构的等效安全水平，评估飞机坠撞应急着陆情况下的可生存性，应注意以下四个重要指标[7]：

(1) 在发生坠撞时，乘员必须能免受由于质量件(如舱顶行李箱)松脱所造成的伤害；

(2) 在发生坠撞时，必须保证有供乘员逃生的应急疏散通道；

(3) 在发生坠撞时，乘员所遭受的加速度和载荷不能超过临界值；

(4) 在发生坠撞时，必须保证有供乘员生存的空间。

在现有的规章中，除25.561和25.562外，25.721、25.785、25.789、25.803、25.809、25.810、25.813等条款中也包含与应急着陆性能相关的其他要求。

已有的经验和研究表明，影响飞机适坠性的关键因素为垂直方向的冲击响应特性。乘员在垂直方向遭受的过载主要受机身本身的冲击响应特性和垂直冲击速度的影响。值得注意的是，在现有条款中，并没有对乘员自身所受载荷和机身下降速度作出明确要求，原因是传统铝合金飞机的运营经验表明(传统铝合金飞机在发生坠撞事故时其机身结构通常具有很好的坠撞性能)没有必要对飞机级的适坠性制定标准[11]。因此，对于复合材料机身，现有的规章并不充分和适用，必须通过建立专用条件并按照上述四个重要指标验证其在坠撞应急着陆情况下的可生存性。

虽然现有的适航规章中并没有对机身的垂直坠撞速度作出要求，但是按照以往的试验和运营经验，FAA用于验证飞机适坠性试验的最大垂直速度为30 ft/sec(1 ft/sec=0.304 8 m/s)，当然，经适航当局认可后，也可以采用其他合理的垂直速度[11]。对于乘员所遭受的加速度和载荷临界值的定义可以参考文献[14]，乘员的临界加速度承受能力如表1所示。

表1 人体可承受过载极限

2.2 坠撞后复合材料机翼和油箱结构防火

FAR 25.963“燃油箱总则”条款是基于传统铝合金油箱结构建立的，大量的实际运营经验及全尺寸试验表明，铝合金油箱结构具有良好的坠撞后防火性能[9,15]。例如，韩亚航空的一架波音B777飞机在坠撞后其机翼油箱结构依然完好，如图3所示。

图3 韩亚航空214航班旧金山机场空难现场

根据实际运营经验，传统金属飞机坠撞后发生火灾的类型主要是外部燃油火灾。对于翼吊式发动机，其机翼油箱和中央翼油箱均靠近乘客区和发动机区，坠撞后的可生存性在很大程度上受上述区域火灾规模和强度的影响。载有内部燃油的铝合金机翼的坠撞后火灾性能已通过试验验证，结果表明，受燃油浸湿的铝合金油箱蒙皮具有很好的散热性和导热性，能够避免局部热点的出现，从而降低了爆炸的风险。铝合金优良的导热性还能使机翼下蒙皮在发生地面燃油火灾时保持结构的完整性，延缓了蒙皮坍塌或者被烧穿的时间，且通常大于应急撤离所需要的时间。另外，对于载有大量燃油的铝合金油箱在受热时，缺量空间的燃油蒸汽会迅速积聚并超过可燃性上限，降低了油箱被烧穿前的油箱爆炸风险。由于铝合金机翼的上述优良特性，传统铝合金飞机在发生地面火灾时导致燃油箱爆炸的情况非常少见[15]。

由于铝合金的固有特性，使得按照现有适航规章设计和制造的铝合金油箱结构飞机具有符合规章要求的安全性水平。鉴于传统铝合金油箱结构飞机在外部燃油火灾下的良好服役经验，现有的适航规章中并没有针对机翼和油箱结构在坠撞后发生火灾情况下的相关要求[9]。然而，对于机翼和油箱结构主要由复合材料制造的飞机(例如波音B787)，没有充分的服役经验和试验数据表明其在坠撞后发生火灾的情况下机翼和油箱结构的安全性水平，因此，现有的适航条款并不充分，必须通过建立专用条件，并通过试验和分析证明复合材料油箱结构在坠撞后发生外部燃油火灾的情况下，具有不低于传统铝合金油箱结构的安全水平。

关于复合材料防火、可燃性问题的一般要求为：“关于飞机结构的可燃性和防火性要求是试图将乘客在发生可燃性材料、液体或者气化物点燃时受到的伤害最小化。复合材料结构的使用不能降低现有的安全水平”(AC 20-107B)[7]。对于机翼结构，当发生坠撞后火灾时，在油箱破损或者结构失效(地面燃油火灾引起的机翼结构承载能力的丧失和油箱内部燃油气体爆炸均会导致结构失效)之前，必须能够提供足够的可供乘员逃生的时间[15]。

为了保证复合材料机翼和油箱结构在坠撞后发生火灾情况下的等效安全水平，该专用条件必须包含以下三个重点要求[15]：

(1) 坠撞后机翼和油箱的结构完整性；

(2) 机翼下蒙皮的抗烧穿性；

(3) 坠撞后火灾情况下的燃油箱可燃性风险。

根据FAA AC 20-135条款的要求，在温度达2 000 ℉(约1 093 ℃)的火势下，铝合金油箱结构必须保证5 min内的结构完整性。该指标也可作为验证复合材料油箱结构耐火性的要求，在验证时必须考虑从最小燃油量到最大燃油量以及其他关键燃油量的情况[16]。

2.3 复合材料机身飞行中阻燃性

对于传统铝合金飞机在飞行中发生火灾的情况，最危险的是萌生于飞机隔热/隔声材料所在的非可达区域，并在其与铝合金蒙皮之间的通道蔓延、增长的火焰。虽然FAR 25.853(a)、25.855(d)和25.856条款已对此类隔热/隔声材料自身的抗火焰烧穿性能作出了明确要求，但在实际发生的事件中，通常会有意外的火焰沿着隔热/隔声材料表面的绝缘薄膜蔓延[9,17]。此类事件多是由短路等电气源引起的，例如日本航空公司的波音B787飞机由于锂电池起火而导致停飞，如图4所示。

图4 日本航空公司B787飞机着火事故

已有大量试验和服役经验表明，传统的铝合金机身对于火焰的蔓延没有积极作用[17]，因此，现有的基于传统铝合金机身所颁布的适航条款并没有对机身结构在飞行中发生火灾的防护性能作出要求。但对于复合材料机身飞机而言，由于没有历史服役经验和充分的试验数据表明其具有适当的安全水平，即现有的适航规章并不充分，必须通过建立专用条件以保证其等效安全水平。

该专用条件应包含以下三个重点要求[17]：

(1) 隔热/隔声层具有满足FAR 25.856条款所规定的阻燃性能；

(2) 复合材料机身具有阻止火焰蔓延的能力；

(3) 复合材料机身燃烧产物的毒性在可接受的水平。

申请人必须通过有效的试验和分析来表明复合材料机身在上述火焰情况下对该专用条件的符合性，以证明其具有等效的安全水平。

2.4 油箱结构防轮胎碎块击穿

历史上曾发生过多起因轮胎碎块或非包容性引擎失效而导致机翼下翼面被击穿致使燃油泄漏进而造成火灾的事故。其中，最为人熟知的是发生在2000年的法国航空“协和号”客机事件(如图5所示)，该飞机起飞过程中由于跑道异物致使轮胎破损，轮胎碎块随即击中了机翼下翼面，虽然受冲击处的蒙皮并未破损，但冲击形成的压力波却使得油箱的另一侧发生撕裂并泄漏，引发灾难。事故发生后，监管机构停飞了所有“协和号”客机，并要求所有飞机必须进行改装以提升机翼油箱的抗冲击性能。

图5 法国航空“协和号”客机失事

类似的事故还有：1984年，在夏威夷火奴鲁鲁国际机场，一架波音B747飞机由于终止起飞导致轮胎爆裂，轮胎碎块击穿了油箱口盖，导致大量燃油泄漏，所幸并未发生火灾；1985年，英国曼彻斯特的一架波音B737飞机发生了燃油箱口盖被发动机碎片击穿事故，该事故发生后，FAA对25.963条款作了修订，要求油箱口盖必须能保证不被轮胎碎块和发动机碎片击穿[18]。上述两起事故反映了当时的适航规章在燃油箱口盖受外来物冲击要求方面的缺失。由于传统铝合金飞机的运营经验已表明其下翼面蒙皮具有适当的固有品质能够抵御诸如轮胎和发动机碎片等高速物件的冲击，所增加的条款25.963(e)只涉及对油箱口盖的要求，并没有针对口盖区域附近机翼蒙皮的要求[9,18]。FAA AC 25.963-1特别指出，油箱口盖不需要比周边油箱结构更具耐冲击性，这突出了一个假设——机翼基本结构已经满足了更高的标准[19]。

复合材料的抗冲击性能比铝合金材料差，因此，对于复合材料油箱结构而言，现有的基于传统铝合金飞机的适航规章并不充分和适用。为了保证其具备与传统金属油箱结构等效的安全水平，可以通过建立专用条件，从以下方面表明其等效安全水平[18-19]：

(1) 在轮胎旋转平面两侧±30°内的油箱结构或者油箱系统元件，在遭受轮胎碎块冲击时，不能被击穿，或者出现会导致有害燃油泄漏的油箱结构变形、破裂或裂缝。有害燃油泄漏是指持续泄漏、滴漏，或者是在被擦干15 min后会致使飞机表面超过6 in(1 in=25.4 mm)长度或直径浸湿面积的泄漏。以上泄漏评估必须在最大燃油压头压力下进行。

(2) 必须通过分析或试验，假设在如下所有情形下，证明符合条件(1)的要求：

①轮胎碎块为轮胎质量的1%；

②轮胎碎块的速度为在飞机飞行手册中规定的抬头速度(最大总重下的vR)时的胎面切线速度；

③轮胎碎块的冲击载荷作用面积为总胎面面积的1.5%。

(3) 对于受大于条件(2)中所述的轮胎碎块冲击而导致的燃油泄漏，不能使受冲击区的任何区域出现危险量的燃油泄漏至发动机进气口、APU进气口或者客舱空气进气口。必须通过试验或分析，或者两者结合，证明在经批准的发动机正向推力条件和反向推力条件下均满足上述要求。

2.5 防油箱油气点燃的油箱结构闪电防护

关于复合材料油箱结构的闪电防护，FAA不仅对波音B787飞机建立了专用条件，也对空客A350飞机建立了同样的专用条件[20]。由于复合材料油箱结构并不具备导电性能，必须通过其他设计来保证该结构具有与传统铝合金油箱结构同等的闪电防护性能。FAR 25.581“闪电防护”条款指出，对于非金属部件可通过采用能使电流分流的措施来表明对25.581(a)条款的符合性[9]。在实际设计、生产过程中，为了保证复合材料结构的闪电防护性能，通常会采用铺贴铜网等设计方法[20]。

FAR 25.981(a)条款的第(3)条是最具挑战性的针对燃油箱防点燃的适航条款，该条款针对不得存在点火源所要求的多重容错设计或者三重冗余设计，意味着即使同时出现两个独立失效，也必须保证不能出现点火源[20-21]。FAA自2008年发布该针对油箱结构闪电防护要求的条款后，却在实施型号合格审定过程中无法实现，且同样的问题也出现在对波音B787飞机型号合格审定的过程中[21]。为了保证油箱结构在被闪电击中的情况下不会出现点火源，需要对结构件进行电搭接设计，然而，结构连接件和紧固件电搭接设计的有效性和容错性通常取决于那些不能被有效检查到或者无损检测到的设计特点，例如安装后的紧固件螺杆和孔的干涉配合、嵌入复合材料结构的金属箔或者金属网、紧固件端头帽型密封等，并且这类设计特点的潜在失效很难被检查到。由于该条款并不实用，FAA正在考虑对其进行进一步修订[21]。

针对25.981条款中燃油箱易燃性暴露的要求，波音B787飞机采用的NGS(Nitrogen Gas System)燃油箱惰化系统能够保证机队的平均油箱易燃性远低于条款中所规定的要求。关于降低燃油箱系统易燃性措施(FRM)的要求在FAR 25部附录M中有详细说明。FAA认为，波音B787飞机的NGS系统使得对于油箱始终处于可燃性的假设不再是必要的，该假设是25.981(a)(3)条款的前提。因此，25.981(a)(3)条款对波音B787飞机并不适用，必须建立专用条件以保证该机具有等效的安全水平[21]。

对于其他具有复合材料油箱结构的飞机，与波音B787类似，也可在铺设铜网等电搭接设计的基础上，通过采用类似NGS系统的燃油箱惰化系统设计，达到降低燃油箱易燃性暴露水平的目的。除了因为上述原因需要建立专用条件以保证具有法律意义的符合性外，申请人还可以向适航当局申请对相关条款的“豁免”。关于专用条件和豁免之间的区别，适航规章里已有明确说明，本文不再赘述。

3 结束语

复合材料在飞机结构上的大量使用使得飞机具有新颖或独特的设计特点，但却造成现有适航规章存在不充分和不适用的情况，建立专用条件作为对现有适航规章的补充或者替代，其目的是为了保证复合材料飞机具有不低于现有适航规章要求的安全水平，它具有同等的法律意义。经适航当局批准的专用条件将作为型号合格审定基础的一部分贯穿整个适航审定过程，并将被列入型号合格证/型号设计批准书数据单(TCDS)。

对比欧美发达国家，我国在复合材料飞机的设计、制造方面还相对落后，复合材料在飞机主结构上的使用还仅局限于尾翼部分。开展对复合材料相关专用条件的研究除了对飞机顺利通过适航审定具有一定意义，更重要的是其将对飞机设计产生根本影响，对于专用条件要求的贯彻也必须在设计初期予以考虑。另外，开展复合材料基础研究和材料体系建设是开展飞机复合材料结构设计工作的基础。

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(编辑：马文静)

Research of the Application on Transport-category Aircraft Composite Structure Related to Airworthiness Special Conditions

Gao Yuan1, Ma Limin2

(1.AEG Department， Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335, China)(2.Stress Analysis Research Department, Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute, Beijing 102211, China)

Compared with traditional metallic material, the introducing of composites brings significant challenges to traditional aircraft design and manufacture process, as well as the airworthiness certification of the aircraft. Focused on five key special conditions(SC) of transport category aircraft composite structure, the reason of establishing the SC, its requirements, and the key points of compliance verification are researched in detail. The research achievements can be the reference for the airworthiness certification of future home-made composite aircraft and verification of type certificate of imported composite aircraft.

transport category aircraft; composite structure; airworthiness; special condition(SC)

2016-08-29；

2016-10-21

高远,gaoyuan_saacc@outlook.com

1674-8190(2016)04-496-07

TB332

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.016

高 远(1989-)，男，硕士，助理工程师。主要研究方向：民用航空器适航工程。

马立敏(1984-)，男，博士，工程师。主要研究方向：材料工程、结构强度分析。