旋翼航空器材料适航条款研究

陈兆晨 郭 婧

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002 ）

旋翼航空器材料适航条款研究

陈兆晨 郭 婧

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002 ）

基于对旋翼航空器材料适航条款的分析，诠释了该条款的技术内涵，列举了符合性验证方法，为从事旋翼航空器设计和适航审定的人员提供技术参考。

适航； 旋翼航空器； 材料； 条款分析

民用航空器型号合格审定的过程就是表明航空器对审定基础符合性的过程[1]。本文对CAAC（中国民航局）和FAA（美国联邦航空局）适航条例CCAR/FAR27《正常类旋翼航空器适航规章》和CCAR/FAR29《运输类旋翼航空器适航规章》中的§27/29.603“材料”和§27/29.613“材料的强度性能和设计值”条款的符合性验证要求及符合性验证方法进行分析研究，为工程技术人员提供该条款符合性验证的方法和思路。

1 适航条款的历史发展与内容

1.1 历史发展

FAA于1964 年11月24日颁布的首版FAR27主要来源于美国民用航空委员会在1956年12月颁布的民用航空规章CAR Part 6《Rotorcraft Airworthiness-Normal Category》。其后FAA对FAR27部中材料适航条款27.603和27.613分别有2次修订，见表1。

表1 FAR27材料适航条款修订历程

FAR29与FAR27首版同时颁布，该规章来源于美国民用航空委员会在1956年8月颁布的民用航空规章CAR Part7《Rotorcraft Airworthiness-Transport Categories》。其后FAA对FAR29部中材料适航条款29.603和29.613分别有2次修订，见表2。

表2 FAR29材料适航条款修订历程

CAAC所颁布的航空器适航规章体系主要是以FAA适航规章体系为蓝本加以翻译后颁布实施，并对FAA适航规章的变化进行跟进。目前，CAAC颁布的旋翼类航空器适航规章包括CCAR27《一般类旋翼航空器适航标准》和 CCAR29《运输类旋翼航空器适航标准》，该两部规章于1988年4月21日首次发布实施，分别对应FAR27的27-21号修正案和FAR29的29-24号修正案。从1988年4月至今，FAA又发布了FAR27的第27-22至27-47共26个修正案，FAR27的第29-25至29-55共31个修正案。

CAAC于2002年7月2日对两部规章进行了第一次修订，新修订的CCAR27-R1《正常类旋翼航空器适航规章》相当于FAR27第27-40修正案。CCAR29-R1《运输类旋翼航空器适航规章》相当于FAR29第29-47修正案。

相对于CCAR27《一般类旋翼航空器适航标准》，CCAR27-R1参考FAR相关修正案进行修订，第 27.613条“材料强度特性和设计值”为修订条款，修改（b）、（d）款，新增（e）款。（b）款增加了明确的概率标准。（e）款规定了材料特选法，即由选择的个别项目的强度试验而不是进行抽样试验得到普通材料强度性能。该方法对每个项目（部件）在允许其使用之前对其采样以确定其性能。此方法仅适用于那些具备可供取样的区域并且能取得试样而不会遭到破坏的零部件。对于这类特选材料制成的零部件的旋翼航空器型号设计数据，在提交审定时应有必要的资料，如最小可允许强度。相对于CCAR-29《运输类旋翼航空器适航标准》，CCAR-29-R1参考FAR相关修正案进行修订，第29.613条“材料的强度性能和设计值”为修订条款，在（b）中增加对材料强度设计值的概率和对应的置信度数值，增加了结构的可靠性。

1.2 条款内容

目前，中美两国适航当局所发布的运输类和正常类旋翼航空器适航规定对材料的要求是一致的。主要条款内容如下：

第27/29.603 条 材料

其损坏可能对安全有不利影响的零件所用材料的适用性和耐久性必须满足下列要求：

● 建立在经验或试验的基础上；

● 符合经批准的标准，保证这些材料具有设计资料中所采用的强度和其它特性；

● 考虑使用中预期的环境条件，如温度和湿度的影响。

第27/29.613条 材料的强度性能和设计值

● 材料的强度性能必须以足够的符合标准的材料试验为依据，在试验统计的基础上制定设计值；

● 设计值的选择必须使任何结构因材料变化而破坏的概率极小。除本条（d）和（e）所规定的以外，必须通过选取保证具有下述概率引起的设计值来表明本款的符合性：

对所施加载荷最终分布于某部件中的单个元件的情况，若该元件的破坏将导致部件结构完整性的丧失，则应保证99%的概率及95%的置信度；

对于超静定结构，若单个元件的破坏将导致所施加的载荷安全地分配到其它承载元件上，则应保证90%的概率及95%的置信度。

● 结构的强度、细节设计和制造，必须使灾难性疲劳破坏的概率减至最小，特别是在应力集中处；

● 设计值必须是经民航总局认可的材料技术标准或手册中的数值，或者是经民航总局批准的其他数值；

● 如果在使用前对每个单独项目取一个试件进行试验从而对材料加以选择，并确定该特定项目的真实强度特性达到或超过设计中使用的数值，则可采用其它设计值。

2 旋翼航空器适航规章材料适航条款的解析

2.1 材料适航条款的理解

美国联邦航空局（FAA）在旋翼类航空器规章（FAR27/FAR29）的基础上，分别制定了咨询通告文件AC27-1B《正常类旋翼航空器适航审定》和AC29-2C《运输类旋翼航空器适航审定》，以便使适航审定人员和申请人更好的理解条款内容，并准确地表明其符合性。根据咨询通告文件指导和型号工作经验，对适航条款内容理解如下。

2.1.1 对27/29.603条款的理解

条款中“零件”特指“其损坏可能对安全有不利影响”的零件。这些零件包括结构零件和失效后可能危及直升机安全的零件，如油箱密封件、防火墙等。那些即便失效也对安全没有不利影响的零件不属于条款限定的零件范围；

材料的 “适用性”指材料抵抗与其服役环境条件破坏作用的能力。包括：材料力学性能对零件的适用性（对于结构零件用材料）；材料功能（如导电、隔热、透波等）对材料的适用性；材料对零件制造过程的适用性，如钢的淬透性和树脂流动性等。材料的“耐久性”是指材料抵抗预期环境条件长期破坏作用的能力。

其中，服役环境条件包括应力、温度、湿度、光照、磨损、腐蚀、氧化等使材料性能随时间延长而衰退的环境因素。

27/29.603条款要求零件所用材料的适用性和耐久性的确定必须基于试验或经验。 “经验”是指相同材料用于已经取证并成功运行的相似类型旋翼航空器的相同或相似部位上，经验需要得到申请人和局方的共同认可； “试验”是指充分且必要的静力试验、疲劳试验、腐蚀试验、功能试验等。

27/29.603条款还要求材料的适用性和耐久性必须满足经局方批准的材料标准（规范）。局方批准的材料标准（规范）分3类：（1）行业规范：指工业规范或军用规范等。局方批准的行业材料规范的形成由局方充分信任的行业协会把关，在行业材料规范的形成过程中局方进行了足够的监控。如FAA批准的行业规范有MIL-HDBK-17F《复合材料手册》、MMPDS（金属材料性能发展与标准化）等文件中所列出的型号规范。（2）用户材料规范：即申请人通过试验或经验建立自己的材料规范。试验过程得到局方充分监控，且材料规范本身得到局方审查，该用户材料规范才可能被局方批准。（3）技术标准规定：由局方制定并发布的一类技术标准。CAAC可以根据CCAR37《民用航空材料、零部件和机载设备技术标准规定》，为民用航空材料制定并颁布技术标准规定（即局方的材料规范）。FAA现行有效的关于民用航空材料的技术标准规定有FAA TSO-C80《Flexible and Oil Cell Material》。

旋翼航空器零件所用材料的适用性和耐久性的确定必须考虑预期服役环境条件（如应力、温度、湿度、光照、磨损、腐蚀、氧化等）。这些预期服役环境条件不仅包括短时间对材料性能造成影响的因素，还包括在长时间内对材料性能造成影响的因素。

2.1.2 对27/29.613条款的理解

27/29.613条款对材料的强度性能和材料的设计值做出了规定。

材料的强度性能是指与强度相关的材料特性，例如，压缩、拉伸、剪切极限强度和屈服强度。材料的设计值是在足够试验数据的基础上，按照29.613（b）要求统计得到的材料强度性能，当用于设计时，因材料变异导致结构失效的概率能降到最低。对于材料的刚度性能（如弹性模量、泊松比），通常采用平均值。

通常所说的材料许用值通过对试验数据的统计得出，反映了材料的固有属性。材料设计值以材料许用值为基础确定，考虑并反映了设计特征和设计需要（如预期服役环境、使用限制）。

27/29.613 (a)款规定材料设计值需要在足够的材料强度性能试验数据的基础上，通过统计分析获得。“足够”是指试验数据量足以进行统计分析，并能保证统计结果具有较高的置信度。

“符合标准的材料试验”有3层意思：（1）所试验的材料要符合经局方批准的材料标准（规范），保证材料是稳定、一致的；（2）试验件的制备工艺要符合经批准的工艺规范，尽量减少工艺变化带来的误差；（3）试验过程要符合经批准的试验标准，保证试验方法是合理、稳定的，尽可能地降低系统误差。

27/29.613（b）款规定材料设计值必须考虑“材料变化”，从而使因材料变化引起结构破坏的概率降至最小。这里“材料变化”是指材料强度性能的变化偏差，这些变化源于材料工艺规范所允许的公差范围。为达到“使任何结构因材料变化而破坏的概率极小”的要求，（b）款对不同结构设计特征（单载荷路径元件和多载荷路径元件）的材料设计值分别提出了概率要求：（1）对于单载荷路径的结构元件（即所加的载荷最终通过组件内的单个元件传递，因而该元件的破坏会导致部件失去结构完整性），概率为99%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料规范采购，按工艺规范加工）的强度性能高于设计值的概率为99%，该设计值也称A基准值。（2）对于多载荷路径的结构（即结构中的载荷通过多个元件进行传递，当某个元件破坏或部分破坏时，载荷可以安全被分配到其他元件而不造成结构完整性的丧失），概率为90%，置信度95%。即在95%的置信度下，材料（按材料规范采购，按工艺规范加工）的强度性能高于设计值的概率为90%，该设计值也称B基准值。

27/29.613（c）是一条有关使疲劳破坏减至最小的目标规则，灾难性疲劳破坏的概率必须减至最小，这可通过使用被公认的安全设计特征（如破损-安全特征）来实现，本款应与27/29.571 条款共同理解。AC27-1B和AC29-2C中针对本款给出以下建议：

● 选择的材料和应力水平应确保在出现裂纹后（低受载结构）能得到一种可控的低裂纹扩展速率和高的强度裕度的组合；

● 采用多路传力结构和止裂措施来限制裂纹增长；

● 采用组合（多元件）复式结构，以便在组合件（多元件）中的一个元件出现疲劳裂纹或破坏时，其它元件和剩余结构仍具有适当的承载能力；

● 凡一个元件承受所有载荷的地方，均应有备用结构。一旦主元件破坏，备用元件应是有效的，并具有承受假定外载荷的能力；

● 设计上应允许在裂纹造成危险或导致强度明显下降之前，能对所有关键件进行裂纹检测（包括采用裂纹检测系统） ，而且允许更换或修理。

27/29.613（d） 规定了设计值选择要求，设计值必须是经民航总局认可的材料技术标准或手册中的数值，或者是经民航总局批准的其他数值。对于申请人期望采用的其他设计值，例如，MMPDS（MILHDBK-5）、CMH （MIL-HDBK-17）或ESDU00932等文件中的A、B、S基准值等，局方对这些设计值的来源、在飞机上的使用经验、预期的应用等因素进行评估后，可视情批准。

表3 建议的材料适航条款符合性方法及说明

当申请人希望采用比（b）款所规定设计值更高的材料强度性能作为设计值时，可以采用（e）款规定的“选择”作为表明对29.613符合性的方法，“选择”的对象是材料。“每个单独项目”是指采用更高设计值的某一强度性能项目（例如，拉伸强度、压缩强度等）。在采用“选择”方法时，申请人对每一“选择”的性能项目进行试验，高置信度地表明选择材料的该项强度性能全部大于等于选定的设计值。选择不能代替材料的验收，用于选择的材料需要符合经批准材料规范，用于选择的试验件需要按照经批准的工艺规范制造。2.2 符合性验证方法

基于对适航条款内容的理解建议考虑采用以下符合性验证方法中的一种或几种组合的方法来验证材料适航条款，见表3。

3 结语

适航标准随着航空科学的进步、航空工业和航空运输的发展以及人们对航空安全性认识的深化而不断发展和更新。针对具体的适航条款，如27/29.603、27/29. 613，不仅要了解适航条款本身的发展修订历程，更要了解适航条款的技术内涵和外延，正确选择符合性验证方法，才能民机研制中顺利通过适航审查。因此，关注航空技术发展以及相应适航条款的修订，分析适航条款修订的发展历史、背景原因、验证技术，理解条款背后的关键因素和安全意图，对我国研制民用航空器并通过适航审定具有重要意义。

[1] 中国民用航空局航空器适航司. 中国民用航空器适航管理[M]. 北京：中国民航出版社，1994.

（编辑：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2017）02-0034-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.02.010

[收修订稿日期] 2016-12-27