民用飞机复合材料结构设计使用规范浅析

民用飞机复合材料结构设计使用规范浅析

陈 娟 蔡建丽
（中航通飞研究院有限公司， 广东 珠海 519040）

简述了国内外民用飞机复合材料结构设计使用规范的应用与发展历程，对比分析了国内与国外在使用规范上存在的几点差距，结合国内复合材料的实际情况，提出了缩小与国外差距的几点建议和措施。

民用飞机；复合材料；结构设计；使用规范

先进复合材料具有独特的可设计性、对环境因素的敏感性及破坏模式的多样性等特点，其设计概念、方法与金属结构有一定的差异性, 因此复合材料结构设计已成为现今复材界的热点话题[1-5]。

先进复合材料主要应用于军用及民用飞机上，而由于民用飞机的适航性要求，其对先进复合材料结构设计要求更苛刻。国外民用飞机复合材料结构设计除了基于FAA发布的适航条款来指导设计外[6]，各大型航空公司还制定了详细设计规范，而国内民用飞机结构设计并未形成详尽的可以直接指导设计的使用规范，因此开展民用飞机复合材料结构设计使用规范的研究有一定的必要性。

本文对国内外复合材料结构设计使用规范进行了梳理与分析，结合型号研制的实际情况，对比国内与国外结构设计使用规范，并提出了国内复合材料结构设计使用规范的差距性，最后提出几点减小差距的措施。

1 国内外民用飞机复合材料结构设计使用规范

1.1 国外复合材料结构设计使用规范

考虑到民用飞机的安全性和经济性，复合材料在民用飞机上的应用比军用飞机要迟。20世纪70年代中期，由于能源危机迫使美国实施飞机能效计划（ACEE），该计划包括了复合材料飞机主承力结构的研制。为了对所研制的复合材料结构部件给出适用的适航审定方法，美国联邦航空管理局（FAA）于1978年颁布了咨询通报AC20-107复合材料飞机结构[7]，这是第一个有关复合材料的规范文件。其不足之处在于对复合材料结构的疲劳/损伤容限验证内容中，只是笼统地要求至少不低于同类金属结构的安全水平。波音727的升降舵、L-1011副翼和波音737水平安定面就是在它的指导下完成设计和适航审定的。经过一段时间的实践，并根据同一时间所获得的军机和民用飞机的设计和使用经验，FAA于1984年重新修订了新的咨询通报AC20-107A复合材料飞机结构[8]。在该项文件中，首次明确提出对冲击损伤的设计与验证要求，损伤无扩展的设计概念，并强调了对湿热影响的验证等。迄今为止所有投入航线飞行的民用飞机复合材料部件的适航审定都是按照这一咨询通报来执行的。目前我国自行研制的支线客机ARJ21-700的复合材料部件的适航审定主要依据仍是AC20-107A[9-11]。

随着复合材料在民用飞机结构应用的增加，空客A380、A350和波音787机体主结构大量使用复合材料，1984年FAA颁布的咨询通报AC 20-107A复合材料结构已无法满足民用飞机复合材料结构适航审定的需求。在总结25年来民用飞机复合材料结构使用经验教训的基础上，并针对波音787复合材料机翼机身主结构的认证提出的新问题，FAA于2009年9月8日修订颁布了AC 20-107B复合材料结构[12]。相比原来的版本，新版本对材料与制造、静力、疲劳与损伤容限验证等方面的要求更具可操作性；增加了持续适航的要求；提出了等同与替代材料和工艺两种类型的变化，给出了不同的认证途径，简化和指导了制造商所需完成的任务；针对复合材料机身结构，提出了适坠性的具体要求等。目前国内在研的C919飞机复合材料结构的国际适航符合性主要依据为AC20-107B。

1.2 国内复合材料飞机结构设计使用规范

国内民用航空1985年正值新的管理体制初步酝酿形成的阶段，当年的12月31日，中国民航总局发布了第一部适航标准，即中国民用航空条例第25部（CCAR-25）运输类飞机适航标准。后经4次修订，最新版的CCAR-25-R4是在参照FAA AC20-107B的基础上，并结合国内民用飞机研制的具体情况上编制的[13]，是目前国内民用飞机复合材料结构设计、验证和通过适航审定必须严格遵守的适航条款。大型灭火/水上救援水陆两栖飞机（蛟龙600）将在CCAR-25-R4的指导下完成设计和适航审定工作。

1.3 国内外差距

国外民用飞机复合材料规范是在总结使用经验教训的基础上取得的。这归功于复合材料结构40年来的应用技术和研发历程，尤其是进入21世纪后，以波音787和空客A350为代表的大型民用飞机复合材料结构占全机结构重量的50%以上，而国内的复合材料的应用尚处初级水平，最新研制支线客机ARJ21-700复合材料结构用量仅占全机结构重量2%左右，最新研制的干线客机C919仅在尾翼和整流罩等部分应用复合材料，复合材料结构用量在10%以内。最新研制的大型灭火水陆两栖飞机也仅在整流罩和部分舵面采用复合材料，用量在5%左右。因此认识复合材料的重要性，认清国内外技术现状，提高复合材料结构用量是国内复合材料发展的方向。

国内民用飞机复合材料规范基本上处于翻译国外的规范，或者直接使用国外的设计规范指导设计的水平上。特别地，中国民用航空规章第25部CCAR-25运输类飞机适航标准基本上就是翻译美国FAR-25，其后一次次的修订也是根据美国联邦航空局对FAR-25发布的修正案而来。但值得肯定的是我国的适航标准与国外适航标准在安全水平上是一致的。此外，国外的航空公司都有详尽的设计使用规范来指导设计，并且会持续更新修订，以起到指南和规范的作用。典型的有MIL-HDBK-17的重新修订，由FAA、NASA、军方和工业界共同组织200多位专家重新修订出版的。而国内基本上没有统一的复合材料使用规范，相应的航标和国标的更新也赶不上技术的发展进步。因此如何有组织的统一制定复合材料结构设计相应规范，将国内复合材料的结构设计和鉴定文件化、规范化，使试验和分析更好地结合起来，形成设计和鉴定的统一指南，编制全行业的技术标准，达到显著改进最终产品的一致性，减小风险、降低成本的目的[14]，是复合材料设计目前要开展和解决的问题。

2 国内主要研究方向

与国外相比，国内的复合材料技术水平、应用规模均为起步阶段，复合材料结构设计思想偏于保守，可参考的标准规范很少，而且规范的制定过程主要依赖于经验和部分的试验结果，还缺乏量化的辅助分析手段，具体的实施和操作性不佳。因此有必要采取一些措施来缩小差距，改变国内的技术现状。

2.1 提高复合材料的用量

国外的使用经验表明，民用飞机主结构上使用复合材料不会降低飞机的安全性，甚至减少飞机全寿命成本，还能改善飞机的舒适性和环保性。可以根据我国目前复合材料技术发展，逐步提高复合材料用量，尾翼、前机身和机身尾段开始全面采用复合材料，有计划地突破机翼、机身复合材料结构设计关键问题，实现复合材料应用水平的跨越式发展。

2.2 重视数据积累

复合材料的制造成本高、周期长、性能测试难度大、费用昂贵。设计、制造和使用过程中获得的每一个性能数据都弥足珍贵。因此建立长期的开放式的数据系统库十分必要[14]。

2.3 注重技术积累

欧美航空工业发达国家十分注重技术的积累，并形成了一系列的标准规范，经过几十年的工程化发展，在复合材料设计、制造和试验等方面形成了规范化、标准化的完善体系，进而保证了如波音787、空客A350等现代飞机的研制和生产，也为民用飞机设计、制造及适航认证等提供依据和指导。同时各大飞机公司还根据最新的技术和成果不断修订这些标准规范。国内航空公司也编制了一些国标、航标和企业标准，也有飞机设计手册等指导性标准规范，但相关的标准和规范还不尽完善，而且这些标准规范大多出版于上个世纪90年代，很多规范已无法满足当今飞机设计要求，因此有必要制定统一的系列化的规范和指南，各航空公司还可根据具体情况制定本公司的规范文件，并且尽可能详细而具有实施性，同时要持续修订更新。

2.4 成果共享

在应用国外复合材料结构设计使用规范时，应结合国内复合材料设计中出现的问题和总结的经验不断改进规范要求，对相同的问题，国内同行应积极探讨，共同寻求解决之道，成果共享，避免资源浪费和相似问题重复出现。

2.5 规范先行

时刻关注复合材料发展动向，如近期的低成本复合材料技术，在材料、制造工艺、设计和使用维护等几方面如何降低复合材料全寿命成本的问题。同时要进行必要的研究，如复合材料的损伤容限问题，复合材料的破坏与失效机制问题。因此如何让规范先行来指导设计，就需要在制定规范时全面系统认识问题、有效预测可能的问题，定量化评估复合材料结构的可靠性和安全性，提前做好预防措施。

3 结束语

复合材料结构设计使用规范的发展，为复合材料结构设计技术提供一定的基础。本文通过对国外民用飞机复合材料结构设计使用规范的应用与发展的介绍和国内技术现状的分析，提出为满足国内复合材料结构设计要求，应对国内复合材料结构设计技术形成比较系统和清醒的认识，并在参考借鉴国外设计使用规范的基础上，总结国内型号研制设计和使用经验，开展复合材料结构设计研究工作，进一步丰富和完善国内复合材料结构设计使用规范。

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[7] AC20-107，Composite Aircraft Structure[S]，1978.

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（编辑：雨晴）

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1003-6660（2014）03-0026-03