旋翼航空器材料適航條款研究

陳兆晨 郭 婧

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002 ）

旋翼航空器材料適航條款研究

陳兆晨 郭 婧

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002 ）

基于對旋翼航空器材料適航條款的分析，詮釋了該條款的技術內(nèi)涵，列舉了符合性驗證方法，為從事旋翼航空器設計和適航審定的人員提供技術參考。

適航； 旋翼航空器； 材料； 條款分析

民用航空器型號合格審定的過程就是表明航空器對審定基礎符合性的過程[1]。本文對CAAC（中國民航局）和FAA（美國聯(lián)邦航空局）適航條例CCAR/FAR27《正常類旋翼航空器適航規(guī)章》和CCAR/FAR29《運輸類旋翼航空器適航規(guī)章》中的§27/29.603“材料”和§27/29.613“材料的強度性能和設計值”條款的符合性驗證要求及符合性驗證方法進行分析研究，為工程技術人員提供該條款符合性驗證的方法和思路。

1 適航條款的歷史發(fā)展與內(nèi)容

1.1 歷史發(fā)展

FAA于1964 年11月24日頒布的首版FAR27主要來源于美國民用航空委員會在1956年12月頒布的民用航空規(guī)章CAR Part 6《Rotorcraft Airworthiness-Normal Category》。其后FAA對FAR27部中材料適航條款27.603和27.613分別有2次修訂，見表1。

表1 FAR27材料適航條款修訂歷程

FAR29與FAR27首版同時頒布，該規(guī)章來源于美國民用航空委員會在1956年8月頒布的民用航空規(guī)章CAR Part7《Rotorcraft Airworthiness-Transport Categories》。其后FAA對FAR29部中材料適航條款29.603和29.613分別有2次修訂，見表2。

表2 FAR29材料適航條款修訂歷程

CAAC所頒布的航空器適航規(guī)章體系主要是以FAA適航規(guī)章體系為藍本加以翻譯后頒布實施，并對FAA適航規(guī)章的變化進行跟進。目前，CAAC頒布的旋翼類航空器適航規(guī)章包括CCAR27《一般類旋翼航空器適航標準》和 CCAR29《運輸類旋翼航空器適航標準》，該兩部規(guī)章于1988年4月21日首次發(fā)布實施，分別對應FAR27的27-21號修正案和FAR29的29-24號修正案。從1988年4月至今，F(xiàn)AA又發(fā)布了FAR27的第27-22至27-47共26個修正案，F(xiàn)AR27的第29-25至29-55共31個修正案。

CAAC于2002年7月2日對兩部規(guī)章進行了第一次修訂，新修訂的CCAR27-R1《正常類旋翼航空器適航規(guī)章》相當于FAR27第27-40修正案。CCAR29-R1《運輸類旋翼航空器適航規(guī)章》相當于FAR29第29-47修正案。

相對于CCAR27《一般類旋翼航空器適航標準》，CCAR27-R1參考FAR相關修正案進行修訂，第 27.613條“材料強度特性和設計值”為修訂條款，修改（b）、（d）款，新增（e）款。（b）款增加了明確的概率標準。（e）款規(guī)定了材料特選法，即由選擇的個別項目的強度試驗而不是進行抽樣試驗得到普通材料強度性能。該方法對每個項目（部件）在允許其使用之前對其采樣以確定其性能。此方法僅適用于那些具備可供取樣的區(qū)域并且能取得試樣而不會遭到破壞的零部件。對于這類特選材料制成的零部件的旋翼航空器型號設計數(shù)據(jù)，在提交審定時應有必要的資料，如最小可允許強度。相對于CCAR-29《運輸類旋翼航空器適航標準》，CCAR-29-R1參考FAR相關修正案進行修訂，第29.613條“材料的強度性能和設計值”為修訂條款，在（b）中增加對材料強度設計值的概率和對應的置信度數(shù)值，增加了結(jié)構的可靠性。

1.2 條款內(nèi)容

目前，中美兩國適航當局所發(fā)布的運輸類和正常類旋翼航空器適航規(guī)定對材料的要求是一致的。主要條款內(nèi)容如下：

第27/29.603 條 材料

其損壞可能對安全有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

● 建立在經(jīng)驗或試驗的基礎上；

● 符合經(jīng)批準的標準，保證這些材料具有設計資料中所采用的強度和其它特性；

● 考慮使用中預期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

第27/29.613條 材料的強度性能和設計值

● 材料的強度性能必須以足夠的符合標準的材料試驗為依據(jù)，在試驗統(tǒng)計的基礎上制定設計值；

● 設計值的選擇必須使任何結(jié)構因材料變化而破壞的概率極小。除本條（d）和（e）所規(guī)定的以外，必須通過選取保證具有下述概率引起的設計值來表明本款的符合性：

對所施加載荷最終分布于某部件中的單個元件的情況，若該元件的破壞將導致部件結(jié)構完整性的喪失，則應保證99%的概率及95%的置信度；

對于超靜定結(jié)構，若單個元件的破壞將導致所施加的載荷安全地分配到其它承載元件上，則應保證90%的概率及95%的置信度。

● 結(jié)構的強度、細節(jié)設計和制造，必須使災難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應力集中處；

● 設計值必須是經(jīng)民航總局認可的材料技術標準或手冊中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航總局批準的其他數(shù)值；

● 如果在使用前對每個單獨項目取一個試件進行試驗從而對材料加以選擇，并確定該特定項目的真實強度特性達到或超過設計中使用的數(shù)值，則可采用其它設計值。

2 旋翼航空器適航規(guī)章材料適航條款的解析

2.1 材料適航條款的理解

美國聯(lián)邦航空局（FAA）在旋翼類航空器規(guī)章（FAR27/FAR29）的基礎上，分別制定了咨詢通告文件AC27-1B《正常類旋翼航空器適航審定》和AC29-2C《運輸類旋翼航空器適航審定》，以便使適航審定人員和申請人更好的理解條款內(nèi)容，并準確地表明其符合性。根據(jù)咨詢通告文件指導和型號工作經(jīng)驗，對適航條款內(nèi)容理解如下。

2.1.1 對27/29.603條款的理解

條款中“零件”特指“其損壞可能對安全有不利影響”的零件。這些零件包括結(jié)構零件和失效后可能危及直升機安全的零件，如油箱密封件、防火墻等。那些即便失效也對安全沒有不利影響的零件不屬于條款限定的零件范圍；

材料的 “適用性”指材料抵抗與其服役環(huán)境條件破壞作用的能力。包括：材料力學性能對零件的適用性（對于結(jié)構零件用材料）；材料功能（如導電、隔熱、透波等）對材料的適用性；材料對零件制造過程的適用性，如鋼的淬透性和樹脂流動性等。材料的“耐久性”是指材料抵抗預期環(huán)境條件長期破壞作用的能力。

其中，服役環(huán)境條件包括應力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等使材料性能隨時間延長而衰退的環(huán)境因素。

27/29.603條款要求零件所用材料的適用性和耐久性的確定必須基于試驗或經(jīng)驗。 “經(jīng)驗”是指相同材料用于已經(jīng)取證并成功運行的相似類型旋翼航空器的相同或相似部位上，經(jīng)驗需要得到申請人和局方的共同認可； “試驗”是指充分且必要的靜力試驗、疲勞試驗、腐蝕試驗、功能試驗等。

27/29.603條款還要求材料的適用性和耐久性必須滿足經(jīng)局方批準的材料標準（規(guī)范）。局方批準的材料標準（規(guī)范）分3類：（1）行業(yè)規(guī)范：指工業(yè)規(guī)范或軍用規(guī)范等。局方批準的行業(yè)材料規(guī)范的形成由局方充分信任的行業(yè)協(xié)會把關，在行業(yè)材料規(guī)范的形成過程中局方進行了足夠的監(jiān)控。如FAA批準的行業(yè)規(guī)范有MIL-HDBK-17F《復合材料手冊》、MMPDS（金屬材料性能發(fā)展與標準化）等文件中所列出的型號規(guī)范。（2）用戶材料規(guī)范：即申請人通過試驗或經(jīng)驗建立自己的材料規(guī)范。試驗過程得到局方充分監(jiān)控，且材料規(guī)范本身得到局方審查，該用戶材料規(guī)范才可能被局方批準。（3）技術標準規(guī)定：由局方制定并發(fā)布的一類技術標準。CAAC可以根據(jù)CCAR37《民用航空材料、零部件和機載設備技術標準規(guī)定》，為民用航空材料制定并頒布技術標準規(guī)定（即局方的材料規(guī)范）。FAA現(xiàn)行有效的關于民用航空材料的技術標準規(guī)定有FAA TSO-C80《Flexible and Oil Cell Material》。

旋翼航空器零件所用材料的適用性和耐久性的確定必須考慮預期服役環(huán)境條件（如應力、溫度、濕度、光照、磨損、腐蝕、氧化等）。這些預期服役環(huán)境條件不僅包括短時間對材料性能造成影響的因素，還包括在長時間內(nèi)對材料性能造成影響的因素。

2.1.2 對27/29.613條款的理解

27/29.613條款對材料的強度性能和材料的設計值做出了規(guī)定。

材料的強度性能是指與強度相關的材料特性，例如，壓縮、拉伸、剪切極限強度和屈服強度。材料的設計值是在足夠試驗數(shù)據(jù)的基礎上，按照29.613（b）要求統(tǒng)計得到的材料強度性能，當用于設計時，因材料變異導致結(jié)構失效的概率能降到最低。對于材料的剛度性能（如彈性模量、泊松比），通常采用平均值。

通常所說的材料許用值通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得出，反映了材料的固有屬性。材料設計值以材料許用值為基礎確定，考慮并反映了設計特征和設計需要（如預期服役環(huán)境、使用限制）。

27/29.613 (a)款規(guī)定材料設計值需要在足夠的材料強度性能試驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過統(tǒng)計分析獲得。“足夠”是指試驗數(shù)據(jù)量足以進行統(tǒng)計分析，并能保證統(tǒng)計結(jié)果具有較高的置信度。

“符合標準的材料試驗”有3層意思：（1）所試驗的材料要符合經(jīng)局方批準的材料標準（規(guī)范），保證材料是穩(wěn)定、一致的；（2）試驗件的制備工藝要符合經(jīng)批準的工藝規(guī)范，盡量減少工藝變化帶來的誤差；（3）試驗過程要符合經(jīng)批準的試驗標準，保證試驗方法是合理、穩(wěn)定的，盡可能地降低系統(tǒng)誤差。

27/29.613（b）款規(guī)定材料設計值必須考慮“材料變化”，從而使因材料變化引起結(jié)構破壞的概率降至最小。這里“材料變化”是指材料強度性能的變化偏差，這些變化源于材料工藝規(guī)范所允許的公差范圍。為達到“使任何結(jié)構因材料變化而破壞的概率極小”的要求，（b）款對不同結(jié)構設計特征（單載荷路徑元件和多載荷路徑元件）的材料設計值分別提出了概率要求：（1）對于單載荷路徑的結(jié)構元件（即所加的載荷最終通過組件內(nèi)的單個元件傳遞，因而該元件的破壞會導致部件失去結(jié)構完整性），概率為99%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料規(guī)范采購，按工藝規(guī)范加工）的強度性能高于設計值的概率為99%，該設計值也稱A基準值。（2）對于多載荷路徑的結(jié)構（即結(jié)構中的載荷通過多個元件進行傳遞，當某個元件破壞或部分破壞時，載荷可以安全被分配到其他元件而不造成結(jié)構完整性的喪失），概率為90%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料規(guī)范采購，按工藝規(guī)范加工）的強度性能高于設計值的概率為90%，該設計值也稱B基準值。

27/29.613（c）是一條有關使疲勞破壞減至最小的目標規(guī)則，災難性疲勞破壞的概率必須減至最小，這可通過使用被公認的安全設計特征（如破損-安全特征）來實現(xiàn)，本款應與27/29.571 條款共同理解。AC27-1B和AC29-2C中針對本款給出以下建議：

● 選擇的材料和應力水平應確保在出現(xiàn)裂紋后（低受載結(jié)構）能得到一種可控的低裂紋擴展速率和高的強度裕度的組合；

● 采用多路傳力結(jié)構和止裂措施來限制裂紋增長；

● 采用組合（多元件）復式結(jié)構，以便在組合件（多元件）中的一個元件出現(xiàn)疲勞裂紋或破壞時，其它元件和剩余結(jié)構仍具有適當?shù)某休d能力；

● 凡一個元件承受所有載荷的地方，均應有備用結(jié)構。一旦主元件破壞，備用元件應是有效的，并具有承受假定外載荷的能力；

● 設計上應允許在裂紋造成危險或?qū)е聫姸让黠@下降之前，能對所有關鍵件進行裂紋檢測（包括采用裂紋檢測系統(tǒng)） ，而且允許更換或修理。

27/29.613（d） 規(guī)定了設計值選擇要求，設計值必須是經(jīng)民航總局認可的材料技術標準或手冊中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航總局批準的其他數(shù)值。對于申請人期望采用的其他設計值，例如，MMPDS（MILHDBK-5）、CMH （MIL-HDBK-17）或ESDU00932等文件中的A、B、S基準值等，局方對這些設計值的來源、在飛機上的使用經(jīng)驗、預期的應用等因素進行評估后，可視情批準。

表3 建議的材料適航條款符合性方法及說明

當申請人希望采用比（b）款所規(guī)定設計值更高的材料強度性能作為設計值時，可以采用（e）款規(guī)定的“選擇”作為表明對29.613符合性的方法，“選擇”的對象是材料。“每個單獨項目”是指采用更高設計值的某一強度性能項目（例如，拉伸強度、壓縮強度等）。在采用“選擇”方法時，申請人對每一“選擇”的性能項目進行試驗，高置信度地表明選擇材料的該項強度性能全部大于等于選定的設計值。選擇不能代替材料的驗收，用于選擇的材料需要符合經(jīng)批準材料規(guī)范，用于選擇的試驗件需要按照經(jīng)批準的工藝規(guī)范制造。2.2 符合性驗證方法

基于對適航條款內(nèi)容的理解建議考慮采用以下符合性驗證方法中的一種或幾種組合的方法來驗證材料適航條款，見表3。

3 結(jié)語

適航標準隨著航空科學的進步、航空工業(yè)和航空運輸?shù)陌l(fā)展以及人們對航空安全性認識的深化而不斷發(fā)展和更新。針對具體的適航條款，如27/29.603、27/29. 613，不僅要了解適航條款本身的發(fā)展修訂歷程，更要了解適航條款的技術內(nèi)涵和外延，正確選擇符合性驗證方法，才能民機研制中順利通過適航審查。因此，關注航空技術發(fā)展以及相應適航條款的修訂，分析適航條款修訂的發(fā)展歷史、背景原因、驗證技術，理解條款背后的關鍵因素和安全意圖，對我國研制民用航空器并通過適航審定具有重要意義。

[1] 中國民用航空局航空器適航司. 中國民用航空器適航管理[M]. 北京：中國民航出版社，1994.

（編輯：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2017）02-0034-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.02.010

[收修訂稿日期] 2016-12-27