運輸類飛機復合材料結構適航專用條件應用研究

高遠，馬立敏

(1.中國民用航空上海航空器適航審定中心 航空器評審室，上海 200335)(2.北京民用飛機技術研究中心 強度分析技術研究部，北京 102211)

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運輸類飛機復合材料結構適航專用條件應用研究

高遠1，馬立敏2

(1.中國民用航空上海航空器適航審定中心 航空器評審室，上海 200335)(2.北京民用飛機技術研究中心 強度分析技術研究部，北京 102211)

相比于傳統金屬材料，復合材料在飛機結構上的大量使用不僅給飛機設計和制造帶來了挑戰，也給飛機的適航取證帶來了諸多難題。從運輸類飛機復合材料結構五個重點適航專用條件入手，對相關專用條件建立的原因、要求以及符合性驗證的要點進行應用研究。本文的研究工作可為未來國產復合材料飛機適航審定和進口復合材料航空器型號認可提供參考和借鑒。

運輸類飛機；復合材料；適航；專用條件

0 引 言

先進復合材料在民用運輸類飛機主結構上的應用可以追溯到20世紀80年代，通過適航審定，復合材料被首先應用于空客A310/A300飛機的垂直安定面[1]。相比于傳統鋁合金材料，先進復合材料具有高比強度、高比剛度、優異的抗疲勞和耐腐蝕性、力學性能可設計等優點。復合材料在民用飛機上的使用比例呈逐年增長的趨勢，如圖1所示[2]。最新一代的波音B787和空客A350飛機，復合材料的使用比例分別達到了50%和53%，它們的機翼盒段及機身桶段主要采用碳纖維增強復合材料(CFRP)制造[3-4]。國內，ARJ21支線飛機仍以金屬材料為主，新一代C919干線飛機則使用了12%的復合材料，有業內專家透露，未來國產寬體飛機計劃將增加復合材料的應用比例到51%左右[5]。如今，復合材料的使用量已經成為評價民用飛機先進性的重要指標，也是航空制造企業博弈的重要砝碼。

圖1 復合材料在民用飛機上的使用比例

得益于復合材料的大量應用，新一代民用飛機變得更輕、舷窗更大、艙內環境更舒適。然而，復合材料的大量應用不僅給傳統飛機設計及制造帶來了巨大挑戰，也給飛機的適航取證帶來了諸多難題。

本文選取運輸類飛機復合材料結構適航認證所面臨的五個重點問題，研究相關專用條件建立的原因、要求以及符合性驗證的要點，以期為未來國產大飛機的適航取證和進口航空器型號認可提供參考。

1 復合材料的使用對適航取證的影響

中國民航規章CCAR-21部第16條定義“專用條件”為：對提交進行型號合格審定的民用航空產品，由于下述原因之一使得有關的適航規章沒有包括充分或者適用的安全要求，由民航總局適航部門制定并頒發專用條件：

(1) 民用航空產品具有新穎或獨特的設計特點；

(2) 民用航空產品的預期用途是非常規的；

(3) 從使用中的類似民用航空產品或具有類似設計特點的民用航空產品得到的經驗表明，可能產生不安全狀況。

專用條件應當具有與適用的適航規章等效的安全水平[6]。

復合材料的大量使用常會使新的航空器具備一些較傳統金屬結構航空器新穎或獨特的設計特點(Novel or Unusual Design Features)，致使現有的適航規章不能提供針對上述設計特點充分或者適用的安全標準，因此需要通過建立專用條件來保證航空器的等效安全水平(Equivalent Level of Safety)。專用條件是對現有適航規章的補充或者替代，它具有同等的法律效力。若某個專用條件不僅僅只適用于某單個航空器產品，即該專用條件被認為普遍適用于大范圍的其他航空器產品，則在保證現有的安全水平不會下降的前提下，適航當局有可能會修改現有的適航規章以適應新的普遍性現象[1]。

以前，復合材料在民用飛機主結構上的使用僅局限于水平尾翼和垂直尾翼部件，與傳統的金屬飛機相比，其在設計上的變化并不大，故在型號合格審定過程中，只有少數用于表明復合材料結構符合性的專用條件，且現有的咨詢通告(例如AC 20-107B)就能很好地提供契合的符合性方法[1,7]。然而，隨著波音B787和空客A350等新一代民用飛機的推出，復合材料被大量應用于機身、機翼以及油箱結構，現有的規章和咨詢通告已無法提供充分或適用的安全標準，因此，各國適航當局頒布了諸如飛行中火災、適墜性、燃油箱碎片擊穿等一系列針對性的專用條件。相關專用條件不僅對飛機的適航審定具有重要影響，對飛機設計的影響則更為直接，開展運輸類飛機復合材料結構相關專用條件應用研究具有重要意義。

2 運輸類飛機復合材料結構適航重點專用條件

本文主要參考FAA針對波音B787飛機適航審定所建立的與復合材料結構相關的五個重點專用條件，研究相關專用條件建立的原因、要求以及符合性驗證的要點[8]。鑒于CCAR-25部源自FAR 25部，故以FAR 25部作為研究參考[9-10]。

2.1 墜撞應急著陸

飛機的適墜性主要取決于機身的沖擊響應特性。FAR關于應急著陸的條款25.561和25.562對飛機的應急著陸情況作了明確要求[9]。上述條款的頒布和修正是基于機隊的運營經驗和相關機構的研究和試驗，反映了傳統鋁合金機身飛機墜撞應急著陸的可生存性要求[11]。其中最著名的試驗研究是FAA主導的B737飛機機身桶段垂直墜撞試驗，如圖2所示，其過程詳見文獻[12]。

圖2 B737機身桶段垂直墜撞試驗

復合材料具有不同的延展性、剛度、失效模式和吸能特性。目前被大量應用于新一代復合材料飛機主結構的CFRP材料，比傳統鋁合金材料更“脆”，幾乎不發生塑性變形，即其吸能特性較差，因此，一些業內專家對波音B787飛機的適墜性有所質疑[13]。另外，復合材料層壓板復雜的失效模式也給有限元數值仿真分析帶來了巨大困難。從工程角度看，復合材料機身對飛機的適墜性帶來的挑戰是顯而易見的。

從適航角度考慮，為了保證復合材料機身結構的等效安全水平，評估飛機墜撞應急著陸情況下的可生存性，應注意以下四個重要指標[7]：

(1) 在發生墜撞時，乘員必須能免受由于質量件(如艙頂行李箱)松脫所造成的傷害；

(2) 在發生墜撞時，必須保證有供乘員逃生的應急疏散通道；

(3) 在發生墜撞時，乘員所遭受的加速度和載荷不能超過臨界值；

(4) 在發生墜撞時，必須保證有供乘員生存的空間。

在現有的規章中，除25.561和25.562外，25.721、25.785、25.789、25.803、25.809、25.810、25.813等條款中也包含與應急著陸性能相關的其他要求。

已有的經驗和研究表明，影響飛機適墜性的關鍵因素為垂直方向的沖擊響應特性。乘員在垂直方向遭受的過載主要受機身本身的沖擊響應特性和垂直沖擊速度的影響。值得注意的是，在現有條款中，并沒有對乘員自身所受載荷和機身下降速度作出明確要求，原因是傳統鋁合金飛機的運營經驗表明(傳統鋁合金飛機在發生墜撞事故時其機身結構通常具有很好的墜撞性能)沒有必要對飛機級的適墜性制定標準[11]。因此，對于復合材料機身，現有的規章并不充分和適用，必須通過建立專用條件并按照上述四個重要指標驗證其在墜撞應急著陸情況下的可生存性。

雖然現有的適航規章中并沒有對機身的垂直墜撞速度作出要求，但是按照以往的試驗和運營經驗，FAA用于驗證飛機適墜性試驗的最大垂直速度為30 ft/sec(1 ft/sec=0.304 8 m/s)，當然，經適航當局認可后，也可以采用其他合理的垂直速度[11]。對于乘員所遭受的加速度和載荷臨界值的定義可以參考文獻[14]，乘員的臨界加速度承受能力如表1所示。

表1 人體可承受過載極限

2.2 墜撞后復合材料機翼和油箱結構防火

FAR 25.963“燃油箱總則”條款是基于傳統鋁合金油箱結構建立的，大量的實際運營經驗及全尺寸試驗表明，鋁合金油箱結構具有良好的墜撞后防火性能[9,15]。例如，韓亞航空的一架波音B777飛機在墜撞后其機翼油箱結構依然完好，如圖3所示。

圖3 韓亞航空214航班舊金山機場空難現場

根據實際運營經驗，傳統金屬飛機墜撞后發生火災的類型主要是外部燃油火災。對于翼吊式發動機，其機翼油箱和中央翼油箱均靠近乘客區和發動機區，墜撞后的可生存性在很大程度上受上述區域火災規模和強度的影響。載有內部燃油的鋁合金機翼的墜撞后火災性能已通過試驗驗證，結果表明，受燃油浸濕的鋁合金油箱蒙皮具有很好的散熱性和導熱性，能夠避免局部熱點的出現，從而降低了爆炸的風險。鋁合金優良的導熱性還能使機翼下蒙皮在發生地面燃油火災時保持結構的完整性，延緩了蒙皮坍塌或者被燒穿的時間，且通常大于應急撤離所需要的時間。另外，對于載有大量燃油的鋁合金油箱在受熱時，缺量空間的燃油蒸汽會迅速積聚并超過可燃性上限，降低了油箱被燒穿前的油箱爆炸風險。由于鋁合金機翼的上述優良特性，傳統鋁合金飛機在發生地面火災時導致燃油箱爆炸的情況非常少見[15]。

由于鋁合金的固有特性，使得按照現有適航規章設計和制造的鋁合金油箱結構飛機具有符合規章要求的安全性水平。鑒于傳統鋁合金油箱結構飛機在外部燃油火災下的良好服役經驗，現有的適航規章中并沒有針對機翼和油箱結構在墜撞后發生火災情況下的相關要求[9]。然而，對于機翼和油箱結構主要由復合材料制造的飛機(例如波音B787)，沒有充分的服役經驗和試驗數據表明其在墜撞后發生火災的情況下機翼和油箱結構的安全性水平，因此，現有的適航條款并不充分，必須通過建立專用條件，并通過試驗和分析證明復合材料油箱結構在墜撞后發生外部燃油火災的情況下，具有不低于傳統鋁合金油箱結構的安全水平。

關于復合材料防火、可燃性問題的一般要求為：“關于飛機結構的可燃性和防火性要求是試圖將乘客在發生可燃性材料、液體或者氣化物點燃時受到的傷害最小化。復合材料結構的使用不能降低現有的安全水平”(AC 20-107B)[7]。對于機翼結構，當發生墜撞后火災時，在油箱破損或者結構失效(地面燃油火災引起的機翼結構承載能力的喪失和油箱內部燃油氣體爆炸均會導致結構失效)之前，必須能夠提供足夠的可供乘員逃生的時間[15]。

為了保證復合材料機翼和油箱結構在墜撞后發生火災情況下的等效安全水平，該專用條件必須包含以下三個重點要求[15]：

(1) 墜撞后機翼和油箱的結構完整性；

(2) 機翼下蒙皮的抗燒穿性；

(3) 墜撞后火災情況下的燃油箱可燃性風險。

根據FAA AC 20-135條款的要求，在溫度達2 000 ℉(約1 093 ℃)的火勢下，鋁合金油箱結構必須保證5 min內的結構完整性。該指標也可作為驗證復合材料油箱結構耐火性的要求，在驗證時必須考慮從最小燃油量到最大燃油量以及其他關鍵燃油量的情況[16]。

2.3 復合材料機身飛行中阻燃性

對于傳統鋁合金飛機在飛行中發生火災的情況，最危險的是萌生于飛機隔熱/隔聲材料所在的非可達區域，并在其與鋁合金蒙皮之間的通道蔓延、增長的火焰。雖然FAR 25.853(a)、25.855(d)和25.856條款已對此類隔熱/隔聲材料自身的抗火焰燒穿性能作出了明確要求，但在實際發生的事件中，通常會有意外的火焰沿著隔熱/隔聲材料表面的絕緣薄膜蔓延[9,17]。此類事件多是由短路等電氣源引起的，例如日本航空公司的波音B787飛機由于鋰電池起火而導致停飛，如圖4所示。

圖4 日本航空公司B787飛機著火事故

已有大量試驗和服役經驗表明，傳統的鋁合金機身對于火焰的蔓延沒有積極作用[17]，因此，現有的基于傳統鋁合金機身所頒布的適航條款并沒有對機身結構在飛行中發生火災的防護性能作出要求。但對于復合材料機身飛機而言，由于沒有歷史服役經驗和充分的試驗數據表明其具有適當的安全水平，即現有的適航規章并不充分，必須通過建立專用條件以保證其等效安全水平。

該專用條件應包含以下三個重點要求[17]：

(1) 隔熱/隔聲層具有滿足FAR 25.856條款所規定的阻燃性能；

(2) 復合材料機身具有阻止火焰蔓延的能力；

(3) 復合材料機身燃燒產物的毒性在可接受的水平。

申請人必須通過有效的試驗和分析來表明復合材料機身在上述火焰情況下對該專用條件的符合性，以證明其具有等效的安全水平。

2.4 油箱結構防輪胎碎塊擊穿

歷史上曾發生過多起因輪胎碎塊或非包容性引擎失效而導致機翼下翼面被擊穿致使燃油泄漏進而造成火災的事故。其中，最為人熟知的是發生在2000年的法國航空“協和號”客機事件(如圖5所示)，該飛機起飛過程中由于跑道異物致使輪胎破損，輪胎碎塊隨即擊中了機翼下翼面，雖然受沖擊處的蒙皮并未破損，但沖擊形成的壓力波卻使得油箱的另一側發生撕裂并泄漏，引發災難。事故發生后，監管機構停飛了所有“協和號”客機，并要求所有飛機必須進行改裝以提升機翼油箱的抗沖擊性能。

圖5 法國航空“協和號”客機失事

類似的事故還有：1984年，在夏威夷火奴魯魯國際機場，一架波音B747飛機由于終止起飛導致輪胎爆裂，輪胎碎塊擊穿了油箱口蓋，導致大量燃油泄漏，所幸并未發生火災；1985年，英國曼徹斯特的一架波音B737飛機發生了燃油箱口蓋被發動機碎片擊穿事故，該事故發生后，FAA對25.963條款作了修訂，要求油箱口蓋必須能保證不被輪胎碎塊和發動機碎片擊穿[18]。上述兩起事故反映了當時的適航規章在燃油箱口蓋受外來物沖擊要求方面的缺失。由于傳統鋁合金飛機的運營經驗已表明其下翼面蒙皮具有適當的固有品質能夠抵御諸如輪胎和發動機碎片等高速物件的沖擊，所增加的條款25.963(e)只涉及對油箱口蓋的要求，并沒有針對口蓋區域附近機翼蒙皮的要求[9,18]。FAA AC 25.963-1特別指出，油箱口蓋不需要比周邊油箱結構更具耐沖擊性，這突出了一個假設——機翼基本結構已經滿足了更高的標準[19]。

復合材料的抗沖擊性能比鋁合金材料差，因此，對于復合材料油箱結構而言，現有的基于傳統鋁合金飛機的適航規章并不充分和適用。為了保證其具備與傳統金屬油箱結構等效的安全水平，可以通過建立專用條件，從以下方面表明其等效安全水平[18-19]：

(1) 在輪胎旋轉平面兩側±30°內的油箱結構或者油箱系統元件，在遭受輪胎碎塊沖擊時，不能被擊穿，或者出現會導致有害燃油泄漏的油箱結構變形、破裂或裂縫。有害燃油泄漏是指持續泄漏、滴漏，或者是在被擦干15 min后會致使飛機表面超過6 in(1 in=25.4 mm)長度或直徑浸濕面積的泄漏。以上泄漏評估必須在最大燃油壓頭壓力下進行。

(2) 必須通過分析或試驗，假設在如下所有情形下，證明符合條件(1)的要求：

①輪胎碎塊為輪胎質量的1%；

②輪胎碎塊的速度為在飛機飛行手冊中規定的抬頭速度(最大總重下的vR)時的胎面切線速度；

③輪胎碎塊的沖擊載荷作用面積為總胎面面積的1.5%。

(3) 對于受大于條件(2)中所述的輪胎碎塊沖擊而導致的燃油泄漏，不能使受沖擊區的任何區域出現危險量的燃油泄漏至發動機進氣口、APU進氣口或者客艙空氣進氣口。必須通過試驗或分析，或者兩者結合，證明在經批準的發動機正向推力條件和反向推力條件下均滿足上述要求。

2.5 防油箱油氣點燃的油箱結構閃電防護

關于復合材料油箱結構的閃電防護，FAA不僅對波音B787飛機建立了專用條件，也對空客A350飛機建立了同樣的專用條件[20]。由于復合材料油箱結構并不具備導電性能，必須通過其他設計來保證該結構具有與傳統鋁合金油箱結構同等的閃電防護性能。FAR 25.581“閃電防護”條款指出，對于非金屬部件可通過采用能使電流分流的措施來表明對25.581(a)條款的符合性[9]。在實際設計、生產過程中，為了保證復合材料結構的閃電防護性能，通常會采用鋪貼銅網等設計方法[20]。

FAR 25.981(a)條款的第(3)條是最具挑戰性的針對燃油箱防點燃的適航條款，該條款針對不得存在點火源所要求的多重容錯設計或者三重冗余設計，意味著即使同時出現兩個獨立失效，也必須保證不能出現點火源[20-21]。FAA自2008年發布該針對油箱結構閃電防護要求的條款后，卻在實施型號合格審定過程中無法實現，且同樣的問題也出現在對波音B787飛機型號合格審定的過程中[21]。為了保證油箱結構在被閃電擊中的情況下不會出現點火源，需要對結構件進行電搭接設計，然而，結構連接件和緊固件電搭接設計的有效性和容錯性通常取決于那些不能被有效檢查到或者無損檢測到的設計特點，例如安裝后的緊固件螺桿和孔的干涉配合、嵌入復合材料結構的金屬箔或者金屬網、緊固件端頭帽型密封等，并且這類設計特點的潛在失效很難被檢查到。由于該條款并不實用，FAA正在考慮對其進行進一步修訂[21]。

針對25.981條款中燃油箱易燃性暴露的要求，波音B787飛機采用的NGS(Nitrogen Gas System)燃油箱惰化系統能夠保證機隊的平均油箱易燃性遠低于條款中所規定的要求。關于降低燃油箱系統易燃性措施(FRM)的要求在FAR 25部附錄M中有詳細說明。FAA認為，波音B787飛機的NGS系統使得對于油箱始終處于可燃性的假設不再是必要的，該假設是25.981(a)(3)條款的前提。因此，25.981(a)(3)條款對波音B787飛機并不適用，必須建立專用條件以保證該機具有等效的安全水平[21]。

對于其他具有復合材料油箱結構的飛機，與波音B787類似，也可在鋪設銅網等電搭接設計的基礎上，通過采用類似NGS系統的燃油箱惰化系統設計，達到降低燃油箱易燃性暴露水平的目的。除了因為上述原因需要建立專用條件以保證具有法律意義的符合性外，申請人還可以向適航當局申請對相關條款的“豁免”。關于專用條件和豁免之間的區別，適航規章里已有明確說明，本文不再贅述。

3 結束語

復合材料在飛機結構上的大量使用使得飛機具有新穎或獨特的設計特點，但卻造成現有適航規章存在不充分和不適用的情況，建立專用條件作為對現有適航規章的補充或者替代，其目的是為了保證復合材料飛機具有不低于現有適航規章要求的安全水平，它具有同等的法律意義。經適航當局批準的專用條件將作為型號合格審定基礎的一部分貫穿整個適航審定過程，并將被列入型號合格證/型號設計批準書數據單(TCDS)。

對比歐美發達國家，我國在復合材料飛機的設計、制造方面還相對落后，復合材料在飛機主結構上的使用還僅局限于尾翼部分。開展對復合材料相關專用條件的研究除了對飛機順利通過適航審定具有一定意義，更重要的是其將對飛機設計產生根本影響，對于專用條件要求的貫徹也必須在設計初期予以考慮。另外，開展復合材料基礎研究和材料體系建設是開展飛機復合材料結構設計工作的基礎。

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(編輯：馬文靜)

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

高遠,gaoyuan_saacc@outlook.com

1674-8190(2016)04-496-07

TB332

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.016

高 遠(1989-)，男，碩士，助理工程師。主要研究方向：民用航空器適航工程。

馬立敏(1984-)，男，博士，工程師。主要研究方向：材料工程、結構強度分析。