民用飞机结构密封设计技术要求研究

刘秦智王 哲

（1. 中航工业综合技术研究所，北京 100028；2. 中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

民用飞机结构密封设计技术要求研究

刘秦智1王 哲2

（1. 中航工业综合技术研究所，北京 100028；2. 中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

针对民用飞机结构长寿命防腐蚀密封和增压舱失压密封要求，从设计准则、设计要求、密封型式、密封材料等技术要求进行了研究，总结了典型结构密封方法要求，并对密封材料的环境适应性试验情况进行了说明，可供有关人员参考。

密封；结构设计；试验验证

密封失效会危及飞机和乘员安全，密封不好产生腐蚀会降低飞机结构的强度、刚度与使用寿命，增加维修工作量与费用，影响飞机的结构完整性与战备出勤率，甚至会危及飞机的使用安全性与可靠性，飞机高空失压和密封不好造成腐蚀的现象在军用、民用飞机中时有发生。

随着航空技术的发展，现代飞行器飞行高度及飞行速度的增大给飞机设备及机上人员工作带来不利影响。为了保证飞机舱内环境舒服，现代飞机特别是民用飞机均采用增压座舱，即利用环境控制系统调节座舱压力、温度及湿度等。增压座舱要求飞机结构具有良好的密封性能，避免在飞行中出现失压情况，将会酿成严重事故。另外，民用飞机寿命越来越高，有的飞机要求9万飞行小时，十分注重腐蚀防护，而腐蚀防护最主要的措施就是结构密封，防止腐蚀介质的浸入或进行不同材料隔离。

1 结构密封设计要求

结构密封就是采用合理的结构形式，利用密封材料堵塞结构上的渗漏渠道，阻止压力的泄漏、水气或腐蚀介质的渗入，从而达到结构气密和防止腐蚀的目的。

飞机结构根据不同的结构形式应采取不同的密封方法，并考虑多种密封的综合运用。结构密封主要包括增压区密封，防腐蚀密封，油箱舱密封，特设、雷达、液压舱密封，高温防火墙密封，气动整流密封，电气密封，其它密封（包括热防冰密封、金属与非金属结构密封、某些非结构零件的胶接密封等）等。

1.1 增压区密封

增压机身泄漏源广布于气密线上，主要包括连接件孔和连接螺母，气密线上的构件对/搭接缝和转角、拐角，玻璃安装，增压舱区的舱门、口盖等缝隙，通过气密线上的各系统件（如电缆、导管、机构件、灯座、天线和设备）等，应根据不同的结构形式采取不同的密封方法，如气密区内的蒙皮与框剪切片、长桁连接处，应采用填角密封；壁板的纵向搭接、对接处，应进行贴合面、填角密封；对于壁板的横向对接处，应进行贴合面密封；对于纵、横向对缝交叉处，应进行贴合面、填角密封；对于承受气密载荷的框、地板，铆钉放置方向应为钉头在承压区，同时应进行填角密封。

1.2 防腐蚀密封

防腐蚀密封，包括合理的结构设计、适当的密封材料选择、正确的密封工艺及密封质量控制，设计中应全面考虑，严格要求，防止造成渗漏或渗漏隐患。

密封部位的确定应有利于密封，应使可能渗漏的孔洞数量尽量减少，使可能渗漏的缝隙、厚度尽量小，其长度尽量大；设计时应考虑邻近零件的密封施工操作的空间限制，保证密封部位有可达性；设计的密封区应有足够的刚度，避免密封材料在过度挠曲和循环受力变形中脱胶、开裂、造成密封失效产生渗漏。

处于腐蚀环境的接缝应密封，所有位于外部或内部腐蚀环境中的接缝，包括起落架舱、附件舱、外表面口盖和整流结构等，均应用密封剂密封，可拆卸的检查口盖，应预制密封垫口盖密封。确定紧固件的数量和间距，应依据口盖、口框刚度，刚度大间距可大，刚度小则适当增加紧固件数量，以保证相邻紧固件制件口盖同口框密切结合，具体数量，必要时应通过试验确定。

穿过机体外露的零件应密封连接，所有穿过蒙皮通向机外的附件，如天线、拉杆、导管、电缆等，应对连接缝和紧固件进行可靠的密封。

设计分离面、蒙皮接缝及紧固件应可靠密封，飞机上的设计分离面，如前、后机身分离处，应进行密封；蒙皮的接缝，特别是机体上表面、侧面和其他可能渗水的接缝，应嵌缝或填角密封；紧固件应湿法密封装配，例如先在埋头窝表面或钉孔柱面上涂施密封剂或涂料。

电子设备干燥密封，电子设备和仪表应在彻底干燥后，进行气密装配，保证内部封闭，形成不凝露，不引起局部腐蚀的环境。

1.3 密封形式

结构密封主要有以下3种形式。

1.3.1 机械密封

气密区域的紧固件，如一般铆钉、高锁螺栓、高抗剪钉均采用干涉配合（除非有钛、铝或钢、混合夹层地方采用过渡配合），为了保证高的铆接质量及气密质量，尽量采用自动压铆机铆接，如长桁和蒙皮的连接铆钉、环槽铆钉、高抗剪铆钉与孔配合对铝合金夹层均采用过盈配合，但对于混合材料（如铝与钛、钢）夹层考虑采用过渡配合，这是为了减少应力集中，提高疲劳强度，以便更好地提高其密封性。

1.3.2 密封胶密封

对气密结构规定区域（如蒙皮对缝、气密线上加强垫板等处）进行缝内或缝外涂密封胶。利用密封胶密封，是用常温固化胶液充填缝隙、漏气通道，阻断漏气路线来实现气密。密封方式主要有：贴合面密封（缝内密封），零件贴合面为漏气通道，在面与面之间施加密封胶的方法。对于刚度大、形面复杂的贴合面，应有较好的配合状态，否则影响密封性能。填角密封，适用于结构内部有阶差的构件边缘。空穴直径不大于9.5mm可采用充填密封。

1.3.3 密封件

密封件包括O形环、U形环、密封型材、气密带、密封垫圈和密封垫片。主要用于大的漏气源部位，如门、窗等各类开口部位，使用这种密封形式范围大而可靠。这些密封件的有效性取决于作用在密封表面的压力的连续性。应注意：密封零件间的分离和翘曲不应超过任一点上“密封线”的密封件的扩展能力；承受密封件压力的表面应足够平整和光滑，以便得到可靠的密封；密封件应被固定，以防止扭转紧固件或接头时，产生任何运动。机械密封和填角密封可以结合使用。如果更换密封件会破坏填角密封，这种方法就不实用。如果自密封螺母用于连接，那么紧固件应是一级配合或更好的配合。

1.4 密封设计航标的编制

鉴于目前GJB 3815-1999《飞机气密舱设计要求》、GJB 5431-2005《飞机结构防水和排水设计要求》、HB 7671-2000《飞机结构防腐蚀设计要求》、HB 7495-1997《民用飞机机体结构通用要求》，对民机结构密封要求太少并且不全面，尤其适航符合性方面几乎空白，尚无一套有效、合理的指导性文件用于民用飞机型号研制中结构密封设计。我国目前虽然经过多个型号的研制，在设计手段上有了长足的进步，但没有系统性地对以往的设计经验和教训进行总结和提升。而国外在结构密封方面的设计手册较多，如波音公司《飞机设计手册》，种类齐全的工艺材料规范（如ZPS、ZMS）等。

2 新型密封材料环境适应性研究

2.1 密封材料筛选

密封材料主要应用部位有风挡窗户区域、口框区域、结构缝隙、盥洗室区域等。典型非金属密封件如舱门密封橡胶带、防腐蚀和气密的密封剂等。选择性能优良、重量轻的密封材料须经过环境适应性试验验证和适航部门批准，国内关于密封材料环境适应性方面的研究较少，环境谱的编制更是空白。

通过调研机场环境数据，掌握机场外部自然环境，结合以前飞机腐蚀损伤关键部位与外部环境之间的关系，分析关键部位局部环境的腐蚀因素。参考国外经过验证的行之有效的加速试验环境谱，综合考虑造成飞机结构腐蚀/失效的各种环境因素，选取主要环境因素制定加速试验环境谱，并组合为可实施的、具有模拟性的加速试验环境谱。

通过适当的当量关系确定方法来确定各环境谱块的参数，确定非金属密封件加速试验环境谱实施的具体试验条件，使环境谱同时具备“加速性”和“再现性”。

2.2 密封材料环境适应性评估方法研究

密封材料在分别经过温湿、热冲击、盐雾、紫外照射、低温疲劳及自然暴晒等试验之后，测试其性能变化情况。主要测试方法有：

失重法：计算样品在试验后的累积重量变化，紫外暴晒与周期浸润联合试验每个循环后样品的重量变化量。

失光率：紫外暴晒与周期浸润联合试验每个循环后样品的光泽度变化量。

力学性能测试：使用微机控制电子万能试验机对试验前后的样品进行力学性能测试。

表面形貌观察：使用金相显微镜、变焦体视显微镜及照相机观察试验前后样品的表面形貌变化。

3 典型结构密封设计

飞机结构如机身气密座舱和机翼整体油箱一些部位的密封，是为了预防气体或燃油通过很多小缝隙的通道逸出，这些小缝隙存在于结构中各连接处，对这些缝隙通过涂敷密封剂实现密封。

3.1 气动表面

与气动表面有关结构如外表蒙皮、天线、信号灯等。外表蒙皮对接时应留有设计所确定的缝宽2mm～2.5mm进行防腐蚀密封，搭接时应进行填角密封。天线与外蒙皮连接时应防腐蚀密封，机翼翼根与机身连接处外蒙包皮整流，防雨水渗入应进行防腐蚀密封，机身、机翼上信号灯、照明灯、防雷装置等与外蒙皮连接时整流防腐蚀密封。

蒙皮搭接应密封铆接，蒙皮应按顺气流方向，由前搭后、由上搭下，在搭接宽度的贴合面间涂有高粘接力密封剂密封铆接。然后在蒙皮边角处进行填角密封及铆钉镦头涂稀的密封剂密封防护。

蒙皮对接应密封铆接，为确保蒙皮对缝密封铆接的可靠，在蒙皮对缝连接宽度区内面增加连接带板，并在贴合面间涂有高粘接力密封剂密封铆接；蒙皮对缝间隙中应采用密封剂填充密封，在蒙皮边角也应填角密封，铆钉镦头涂稀的密封剂密封防护。对于机身外表面的对接、搭接缝，可涂掺铝密封胶，使表面光滑。

3.2 连接件

连接件密封设计应满足如下要求：

所谓连接件密封是靠钉孔与钉杆之间适当的过盈量，阻止空气的泄漏来达到密封目的，属于一种机械密封方式；

对于夹层中为钢—铝或钛—铝混合夹层不允许紧固件与孔为过盈量配合及大于二级精度的螺栓配合，为了保证密封性，可采用蘸胶湿安装；

对位于气密线上可拆卸的口盖、整流包皮的连接件的螺母，为了保证其气密，必须选用密封的桶形螺母或密封的托板螺母；

气密线上的自封性紧固件的选用。在满足气动要求情况下，尽可能选用凸头紧固件，以利于密封和强度要求。对于所选用的埋头紧固件，注意避免锪埋头窝蒙皮或板件被锪穿；

所有穿过密封面的紧固件要通过金属膨胀即干涉紧固件或密封剂进行密封。除非同意使用自封密封紧固件，所有紧固件都用填角密封。每一个紧固件在渗漏的情况下，应能进行检修。

3.3 口盖、口框

在各种使用情况下，口盖、口框的密封材料应处于均匀弹性压缩状态，设计时应考虑如下因素：

密封材料应有较好的弹性压缩性能，压力取消后，应有较好的恢复能力。口盖周边与口框接合面应用耐蚀橡胶垫、管、带、密封剂等进行安装；

口盖边缘和口框应具有一定的刚度，使密封材料能得到均匀的压缩量；

口框区域密封，应进行贴合面、填角密封。对于机身和机翼上表面的口盖，由于经常拆卸，为了防止漏入雨水，在口盖与口框间应采用密封剂实现密封；

气密舱开口周围所有构件之间，包括接头在内应涂宽约25.4mm的密封剂；

螺钉间距要保证密封压缩量均匀。

3.4 地板

应采用具体的设计措施，以防水分渗漏到下机身区内，舱底的水分是导致民用飞机腐蚀的比较严重的问题之一。

主客舱厨房、厕所和登机门地板密封，整个区域上放聚脂膜，在整个尼龙绳边缘间隙内涂密封剂，用密封剂湿安装螺钉等。

客舱和货舱地板密封，在整个尼龙绳边缘间隙内涂密封剂，用密封剂湿安装螺钉等。

3.5 整体油箱

整体油箱主结构件前后梁、端肋与蒙皮连接处，长桁与上下壁的连接应按防腐蚀密封设计。整体油箱可卸壁板按口盖类密封。整体油箱内表面应采用保护密封体系，如油箱壁板等零部件阳极化后应先喷涂聚氨酯底漆，油箱组装后为防止整体油箱内的密封剂在燃油及霉菌腐蚀变质过早出现失效，应采用表面保护密封涂料作最后刷涂或灌涂防腐蚀密封。

整体油箱应设置检查维修通道，以便维修与施加密封剂，口盖应易于拆装。

采用油箱内壁面涂层系统，如内表面涂覆涂料及防霉密封剂控制油箱腐蚀。

3.6 蜂窝及胶接结构

蜂窝件边部应进行防腐蚀密封，蜂窝件对接时应先作表涂处理后填入耐水密封剂，蜂窝芯与面板胶接处应用阻蚀型密封剂进行填角密封，蜂窝芯边部应采用耐水、高粘接力密封剂。穿过胶接蜂窝件的连接件应湿态装配，保证密封要求。金属胶接后应用阻蚀型密封剂进行填角密封，板与板之间应涂缓蚀黏结底胶，应用阻蚀型密封剂进行贴合面密封。

3.7 舱门、舱盖及窗玻璃

舱门、舱盖及窗玻璃的密封主要采用橡胶型材密封件，在有可能产生泄漏的通路上设置这些密封件。

对于驾驶舱的风挡及通风窗玻璃，由于型面和协调关系复杂，往往又采用注胶、压模修平、胶带衬垫的综合密封。

舱门开口外露部分的蒙皮、口框、带板等，在第一排紧固件连接处应采用密封剂封口铆接。

对于夹层结构式的舱门，空腔部位应设有通气、排水孔，如无法排水，通气时应采用密封铆接或空腔内充填聚脂泡沫。

安装在窗口带状加强件上所有构件，应涂宽约25.4mm的密封剂作贴合密封。

3.8 起落架舱

飞机起飞或着陆时，起落架舱中接受大量引起腐蚀的因素（如地面水、沙、尘、轮胎摩擦生成的二氧化硫等），收起后封闭的轮胎舱内仍为腐蚀性因素（如二氧化硫、水及湿气等）。所有的结构结合面应进行防腐蚀密封。

3.9 隔热结构

由隔热毡隔热时，飞机机身蒙皮内侧下陷处在贴毡前，应采用高温密封剂进行防腐蚀密封。在温度超过121℃，而不超过180℃的区域，使用聚硫代醚密封剂或聚硫密封剂，超过180℃时使用有机硅密封剂密封。

3.10 穿越气密线系统件

电缆通过孔采用密封接头或包扎胶充填密封，导管通过孔采用法兰盘固定充填密封，拉杆、机构件等采用橡胶气密接头密封。当为可拆卸件密封,应用低粘接力密封剂，电器零件防潮密封应用有机硅、聚氨脂或硫化类绝缘密封剂。

3.11 整流包皮

防雨水渗入腐蚀，可拆卸整流包皮与机体贴合面上应贴有密封胶垫，并适当增加紧固件数量，使整流包皮紧密贴合在机体上；

不可拆卸的整流包皮与机体接合面上应涂密封剂进行防漏水密封铆接；

整流包皮尖角部位应用密封剂填角密封。

4 结束语

民用飞机结构密封设计是飞机增压舱密封功能实现和长寿命保证重要环节，将密封设计原则、密封措施、以及典型结构密封设计方法等固化，形成HB 8395-2013《民用飞机结构密封设计通用要求》，规范设计，提高密封效果，减轻密封所需结构重量，满足适航要求。

（编辑：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2017）01-0015-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.01.004

2016-07-08