民用飛機復合材料副翼結構損傷威脅評估研究

張冠彪 張利猛 劉衰財

（中國商飛復合材料中心，中國 上海 201324）

0 引言

復合材料在民用飛機結構中的應用逐年攀升，使用比例已成為衡量飛機先進性的重要指標之一[1-2]。民用飛機復合材料結構在制造和服役過程中產生的缺陷和損傷都會對復合材料結構產生巨大威脅。因此，在復合材料結構設計、分析及驗證過程中必須充分考慮各類制造缺陷和服役損傷的影響。

咨詢通告AC 20-107B要求民機復合材料結構疲勞和損傷容限驗證中首先要開展損傷威脅評估，根據損傷威脅評估的結果確定飛機結構所受損傷的損傷源、損傷位置、種類和大小[3-4]。本文針對民用飛機復合材料副翼結構開展制造缺陷和運營損傷評估研究，確定副翼驗證試驗中需考慮的缺陷和損傷類型，并研究確定各類損傷的模擬形式。

1 復合材料副翼結構

民用飛機副翼安裝在機翼后緣靠近翼梢處，通過懸掛接頭和作動器與機翼盒段后梁連接，主要功能是控制飛機的滾轉運動。民用飛機副翼一般是由復合材料和鋁合金材料制成的楔形結構，復合材料結構通常包括蒙皮、梁、肋。接頭一般為鋁合金結構。

復合材料結構的結構形式與制造缺陷和損傷密切相關。蒙皮一般為蜂窩夾芯結構，梁和肋一般為“C”形或“工”形層壓板結構，蜂窩夾芯結構和層壓板結構在制造中可能會出現蜂窩脫粘、分層、夾雜等制造缺陷，在運營中會受到沖擊、劃傷等損傷。

2 損傷分類與損傷容限要求

根據咨詢通告，復合材料結構上遇到的所有損傷都可以歸為下面5類損傷之一。五種不同類別損傷的損傷容限要求見圖1。

第一類損傷：包括允許制造缺陷和BVID損傷，為周期檢測或有指導的外場檢測可能漏檢的允許損傷或允許的制造缺陷。第二類損傷：包括VID損傷、深的溝槽或大的劃傷，在規定的檢查間隔期間進行定期的或者有指導的外場檢測能可靠檢測出的損傷。第三類損傷：包括LVID損傷或其他易見損傷，可由無復合材料檢測專業技能的機組或外場維護人員在其出現后幾次飛行期間能可靠檢出的損傷，這樣的損傷必須有某個清晰目視跡象的明顯可見部位。第四類損傷：是由已知偶發事件引起的離散源損傷，包括發動機轉子爆破、鳥撞（按規章規定）、輪胎爆裂和飛行中嚴重的冰雹。第五類損傷：設計準則或結構驗證程序未包括的意外損傷，要求一旦出現必須立即修理。

圖1 損傷類型與損傷容限要求

3 副翼制造缺陷

復合材料結構在制造過程中允許存在一些可接受的制造缺陷，允許制造缺陷大小由制造驗收文件控制。制造驗收文件中一般包括外觀制造缺陷質量控制要求和內部制造缺陷質量控制要求，外觀制造缺陷類型包括：凹陷、凸起、樹脂堆積、貧膠、刻痕、鑿傷、劃傷、裂紋等，內部缺陷一般按結構分區進行質量控制，內部缺陷類型包括：分層、夾雜、孔隙率、纖維褶皺、纖維體積含量變化等。

型號研制階段需對不同結構類型易發生缺陷的位置及缺陷大小進行統計分析，確定易發生分層、脫粘等損傷的位置，結合內力解完成全尺寸驗證試驗中預制損傷的布置。

4 副翼運營損傷

運營過程中產生的損傷主要體現為沖擊損傷。沖擊引起的損傷按其形態可分為兩類：一類是高能量沖擊，往往也是高速沖擊，如非包容發動機碎片、鳥撞等外來物的沖擊造成的損傷；另一類損傷是低能沖擊，多數情況是低速沖擊，包括生產或維護用工具的掉落、起飛或著落時跑道上卷起的石子、冰雹的撞擊等。低能沖擊損傷往往從沖擊表面很難察覺，但在結構內部很可能已經產生了大范圍的損傷，因此往往會帶來更大的危險性。

民用飛機副翼結構潛在的沖擊損傷源有：工具掉落、冰雹、輪胎碎片、跑道碎石、閃電、轉子爆破碎、鳥撞等常規沖擊，以及勤務車輛等與飛機的嚴重碰撞、異常的飛行超載、非正常硬著落等非常規沖擊。非常規沖擊損傷是嚴重損傷，在結構損傷容限設計準則和證實程序中未包括，該損傷目視顯而易見，要求一旦出現必須修理，本文未作詳細研究。

常規沖擊損傷包括：

（1）工具掉落：在復合材料零件的制造和維護過程中，工具掉落可能會在制件上造成損傷。副翼結構在制造和維護過程中會用到風鉆、鉸刀、螺栓安裝槍、彈簧銷等工具，需對所有工具的質量進行統計，結合使用場景確定工具潛在墜落高度，按最大高度墜落計算得到最大可能沖擊能量，進而確定工具掉落引起的沖擊損傷能量截止值，根據沖擊能量和可檢性門檻值，確定出損傷類別。副翼結構區域工具掉落造成的損傷一般屬于第一類損傷。

（2）冰雹：美國國家海洋和大氣管理局收集了1955—2006年間美國冰雹分布，統計了冰雹尺寸、沖擊動能、以及累計發生概率，結果顯示26J能量可覆蓋95.0%的冰雹沖擊[5]。副翼上蒙皮是地面冰雹的影響區，地面冰雹可歸為第一類、第二類和第三類損傷。飛行冰雹影響飛機前緣、擋風玻璃以及朝向前方的機身結構，副翼不在飛行冰雹影響區，無需考慮飛行冰雹。

（3）輪胎碎片：依據各型號飛機輪胎爆破中輪胎碎片模式、甩胎模式、爆胎空氣噴流壓力效應模式的影響范圍確定輪胎碎片對副翼結構的影響。副翼一般處于輪緣碎片影響范圍內，輪胎碎片造成的損傷嚴重情況可歸為第四類離散源損傷。

（4）跑道碎石：飛機輪胎卷起的跑道碎石對飛機的沖擊較為嚴重。主起落架卷起的跑道碎石對飛機結構的影響集中在機翼和機身下壁板，對副翼基本無影響，副翼損傷威脅評估中可不用考慮跑道碎石沖擊。

（5）閃電：副翼靠近機翼翼梢處，副翼梢部外側位于初始閃電附著區和附著駐留區。一般在民用飛機閃電直接防護審定計劃中規劃副翼結構的閃電直接防護試驗，驗證其直接防護符合性，根據試驗得到的損傷情況，開展損傷容限評定工作。

（6）轉子爆破：主要考慮發動機、APU和RAT三類轉子失效引起的轉子爆破威脅，轉子爆破碎片沖擊能量非常大，為高能高速沖擊，通常歸為第四類離散源損傷。副翼位于發動機影響區，具體需根據各型號飛機發動機轉子爆破碎片的掃略情況確定對副翼的影響，轉子爆破對副翼結構損傷特征一般為沖擊穿透。

（7）鳥撞：鳥撞損傷為離散源損傷，屬于第四類損傷，嚴重時可能造成副翼蒙皮、梁損傷。

綜上，副翼需考慮運營損傷包括工具掉落、冰雹、輪胎碎片、閃電、轉子爆破、鳥撞等。民用飛機主要結構元件 （PSE）受到第四類損傷后須滿足返航載荷要求，副翼復合材料結構通常為非PSE，第四類損傷的引入與驗證根據實際結構設計和具體要求確定。

5 副翼損傷模擬方案

副翼需考慮的損傷源有：制造缺陷、工具掉落、冰雹、輪胎碎片、閃電、鳥撞、轉子爆破碎片等。同時還需考慮運營過程中結構表面的劃痕，劃痕屬于第二類損傷。為保證副翼復合材料結構在飛機服役期的安全性，滿足適航規章和復合材料結構積木式試驗驗證要求，必須在全尺寸試驗件中人為引入這些損傷，各類損傷模擬形式見表1。

表1 副翼全尺寸試驗件損傷模擬形式

6 結語

本文對民用飛機復合材料副翼結構制造缺陷、沖擊損傷進行了研究，給出了復合材料副翼結構的損傷威脅評估內容，確定了副翼需考慮的損傷源和損傷類型，給出了副翼損傷源的模擬形式，用于各階段試驗前引入相應損傷，以滿足咨詢通告對復合材料結構損傷容限的要求，完成復合材料結構的符合性驗證。