波音737NG飞机雷达罩损伤分析和修理

胡耀平

摘要：基于波音737NG飞机雷达罩设计基本要求，对蜂窝夹层和泡沫夹层两种类型雷达罩进行结构分析，并参考波音维修手册对常见损伤和修理方案进行研究，以期对雷达罩实际运营维护提供一定的指导，为航空公司节省运营成本。

关键词：波音737NG;雷达罩;蜂窝夹层;抗静电;防雨蚀

1雷达罩结构简介

雷达罩作为737NG飞机的重要组成部件，必须保持良好的电性能、气动外形以及结构强度，这是雷达罩结构设计的基本条件。波音737NG飞机雷达罩分为蜂窝夹层结构和泡沫夹层结构两种类型。蜂窝夹层结构雷达罩前端主要采用柔性芳纶纸蜂窝（Nomex）材料（俗称纸蜂窝芯），其胞壁单元由芳纶纸和两面浸润的酚醛树脂组成，实质是一种层合结构材料，具有质轻、介电性能好的优点^[1]，后端为六边形玻璃纤维蜂窝芯，这两种材料都具有良好的透波性能。树脂基体材料采用最常见的热固性环氧树脂材料，内外蒙皮铺层材料为增强玻璃纤维（俗称玻璃钢），胶膜材料则采用BMS5-129胶膜，其优良的剥离强度可避免雷达罩蒙皮与芯体间脱胶。泡沫夹层结构雷达罩与蜂窝夹芯雷达罩结构类似，主要区别在于前端芯材采用CMN2000硬质PVC闭孔泡沫材料，这种闭孔结构避免了湿气的侵入和传播。在力学性能方面，泡沫芯材的剪切强度明显优于蜂窝芯材，且此类型雷达罩生产商NORDAM公司宣称该闭孔结构雷达罩能够抗额外45%的冲击载荷，同时因其介电性能与蜂窝夹层结构相当，所以综合性能更好，C919飞机采用的就是新型的泡沫夹层结构雷达罩。

由于737NG飞机雷达罩的材料均为不导电的复合材料，加上位于雷击初始附着区域，在遭受雷击后会引起复合材料刚度和强度的显著下降，并造成树脂基体融化，引起分层、脱胶等结构破坏，所以必须采取防雷击设计来传递雷击瞬时高电流，避免局部温度过高，以降低对雷达罩复合材料的损伤。非金属复合材料雷击防护主要通过3种设计方案实现：表面火焰喷涂铝涂层;表面粘接铝箔或金属网;加装导流条。由于前两种措施在提高复合材料抗雷击性能的同时却产生了电磁屏蔽作用，而雷达罩对于透波率有极高的要求，因此目前737飞机主要采用第三种雷击防护方式，在雷达罩的表面即夹层结构的玻璃钢蒙皮上加装导流条，提供雷电附着点，并通过搭接板将雷电电流向飞机金属壳体传导，从而释放高能量。为提供良好的电流传递通道，波音737NG雷达罩防雷击设计要求导流条和金属壳体间的电阻值必须小于30mΩ^[2]。

飞行中雷达罩与高速空气摩擦会产生并积累大量静电，进而造成屏蔽效应和静电放电，严重干扰雷达天线系统和其他无线电导航设备的正常运行，在穿越云层时雨水也会对雷达罩产生一定的侵蚀作用，因此雷达罩必须具备一定的耐雨蚀、抗静电等能力。尽管玻璃纤维增强复合材料具有较高的比强度和比刚度，但在耐雨蚀、抗静电、耐磨性等方面的性能比较差。目前737NG飞机广泛采用在雷达罩外表面涂刷多重保护性涂层的办法来提高抗静电与耐雨蚀能力，保护性涂层包含底漆、抗雨蚀漆、防静电漆等。

当高速雨滴撞击树脂基复合材料雷达罩时，材料的破坏主要表现为表层树脂基体的剥落以及微裂纹的产生。在雨滴的反复冲击下，雷达罩表面变得粗糙不平，雨滴沿微裂纹向内渗透又进一步使材料的电性能恶化^[3]。由于聚氨酯本身结构的疏水性，通常聚氨酯漆层材料具有良好的常温耐水性。抗静电涂料是具有导电和排除积累静电荷能力的功能性涂料，利用静电的卸放效应，将积聚在雷达罩表面的静电荷及时卸放^[4]。按照设计要求，在施加涂层前应先对表面进行彻底清洁并确保没有油渍，这是涂层形成良好附着力的基本条件，之后再施加表面涂层。

对于未安装保护膜的雷达罩，涂层施工步骤为：1）整个雷达罩区域涂一层BMS 10-21 TYPE II或者TYPE IV防静电漆，测量每平方（任何尺寸）的防静电漆阻值必须在1～100MΩ之间;2）安装6个导电条;3）遮盖保护其他区域，在STA138.6-STA143.6位置垂直带，按照步骤1）的要求涂第二层防静电漆;4）遮盖保护5in垂直带，其余整个雷达罩位置涂0.3～0.8密耳BMS10-103、TYPE I底漆;5）整个雷达罩表面涂1.4～2.4密耳BMS10-60、TYPE Ⅱ色号为BAC707的灰搪瓷漆;6）整个雷达罩区域涂BMS10-72装饰面漆或者AMS3095光面漆。

對于安装了保护膜的雷达罩，由于保护膜可以替代一层BMS10-60、TYPEⅡ色号为BAC707的灰搪瓷漆，涂层施工的前三个步骤与未安装保护膜的雷达罩相同，步骤4）为在整个雷达罩位置涂0.3～0.8密耳BMS10 -103、TYPE I底漆，步骤5）为在整个雷达罩表面涂1.4～2.4密耳BMS10-60、TYPE Ⅱ色号为BAC707的灰搪瓷漆，步骤6）为安装雷达罩保护膜。

实际调查中发现，许多航空公司为了节省成本，直接选用未加装保护膜的雷达罩构型，待飞机交付后返回运营基地时就直接安装保护膜，势必影响雷达信号的透波率，此行为值得商榷。

2雷达罩的允许损伤与修理

飞机雷达罩作为复合材料中的易损部件，实际使用中比较常见的损伤有腐蚀、分层、凹坑、刮擦、刻痕和穿孔等，对于雷达罩损伤常采用无损探伤方法来确定损伤尺寸。波音SRM手册内规定737NG雷达罩的允许损伤有5种：1）刻痕、刮伤等未造成玻璃纤维铺层损伤;2）刻痕、刮伤、凹坑、分层、穿孔等造成纤维层损伤，但最大不超过1in²，距离其他损伤边缘至少10in以上且距离雷达罩边缘或紧固件边缘至少2in;3）边缘损伤宽度不超过1in，深度不超过0.25in;4）边缘损伤宽度最大为1in，深度为0.25in;5）对于边缘的雨蚀或者风蚀，宽度不超过0.5in，损伤不超过3层玻璃纤维铺层，且去除损伤后的边缘距离紧固件孔中心至少为2D。对于允许损伤不超过一层铺层材料的情况，可以采用Scotchbrand 853或Permacel P280等聚氨酯膜进行临时性密封，密封后每400飞行小时检查聚氨酯膜，确保其处于完好状态，并在5000飞行小时内采用BMS 8-201、BMS 8-207或BMS 8-301环氧树脂进行永久性密封;对于允许损伤超过一层结构铺层的情况，必须在400飞行小时内完成永久性修理。

对于737NG雷达罩，波音给出了一般的修理准则：对于3层铺层的蜂窝夹层雷达罩，如要求雷达罩能测风切变，修理后归为C类，必须测雷达电磁波透波率;如果没有风切变要求，按手册修理后归为D类，不需要测透波率;对于4层铺层的蜂窝夹层雷达罩或泡沫夹层雷达罩，按手册修理后被归为C类，不需要测透波率。不过，雷达罩修理后、喷漆贴膜且安装导电条后必须进行透波率测试。若连续扫描时电磁窗口平均透波率大于84%且每点最小透波率大于78%，归为C类雷达罩;若平均透波率大于80%且每点最小透波率大于75%，归为D类雷达罩。修理完成后如想了解修理后的雷达罩的具体类别，可以按照RTCA-D0-213中标准章节2.4.7.1测透波率。

对于雷达罩损伤修理，按照修理类型可分为永久性修理和临时性修理，按照修理材料类型又可以分为湿铺层修理和预浸料修理。预浸料修理固化温度为250°F （121℃），其修理方案类型均为永久性修理。湿铺层修理分为室温固化、150°F （66℃）固化和200°F（93℃）固化，由于室温固化不能恢复原结构的强度和耐久性，所以室温固化均为临时性修理;150°F固化修理作为永久性修理方案时对尺寸和同类型的修理补片数量有严格的限制，超出限制条件时均为临时性修理，根据SRM手册，临时性修理的寿命均为4000飞行循环，且每400飞行循环必须对修理区域进行敲击测试以确保没有分层或者脱胶;200°F湿铺层固化修理均为永久性修理方案且无其他限制条件，实际损伤修理中推荐使用热补仪进行湿铺层200°F固化修理，如果航材具备时使用250°F预浸料固化修理能更好地恢复原结构的强度和耐久性。

常见的修理形式有单面板修理、单面板和蜂窝夹心修理、双面板和蜂窝夹心修理、边带修理以及单纯浸水修理。下面以雷达罩穿孔（蜂窝夹层损坏）进行湿铺层200°F固化修理时的相关要点为例作简要分析。修理时必须制作模具以使修理区域保持原始轮廓，严格执行去湿和表面清洁程序，这是保持良好的胶结强度的基本条件。抽真空时应保持真空度至少为22inHg去除真空源后，真空表读数5min内下降不能超过5inHg。在整个修理过程中，温度是至关重要的因素，只有在合适的固化温度条件下，才能保持最大的粘结性能。材料类型、厚度以及内部结构的不同，均会导致修理区域温度存在偏差。在蜂窝夹层结构雷达罩的修理中，容易出现温差的典型位置为蜂窝区与装配区的过渡，由于蜂窝芯格中充满空气，空气的导热系数非常小，因此蜂窝区温度变化慢^[5]。本修理采用二次固化，第一次铺层材料和芯体共固化时，模具支撑一侧必须安装电热毯，以最大程度减少蜂窝区或泡沫夹层区温差，同时严格按照层压树脂BMS 8-301、Class 1固化曲线进行，开始加热时保持最多每分钟1°F～3°F的上升率，到达220°F后保持至少220min，然后以最大不超过每分钟5°F的速率下降。为保持修理后雷达罩透波率要求，修理时不要增加附加铺层或者打磨层，整个修理材料的铺设严格按照图1执行。

3雷达罩日常维护

尽管雷达罩表面喷涂防护涂层，但实际运行维护中仍发现由于漆层结合不牢或其他外来颗粒撞击导致涂层剥落的情况。如果没有及时处理，会使铺层材料暴露在空气中，日积月累的磨损将导致铺层损伤或者蜂窝夹层结构进水。因此，日常维护中一旦检查发现雷达罩漆层损伤，必须按照手册要求及时恢复防护涂层，以免造成雷达罩复合材料进一步的损伤。在喷涂防护涂层时，如果漆层厚度超过规定值0.010in就会造成传输率的下降，如果过薄又会降低防护作用，因此必须严格按照手册工艺执行。

实际运营中调查发现，安装保护膜尽管在防雨蚀能力和抗细小砂石冲击能力方面更加显著，但是对于雷击检查却起到了不小的掩盖作用。对此波音给出了明确的建议，即雷达罩如果安装保护膜，当检查雷达罩发现有雷击损伤迹象时，则必须揭除保护膜，对损伤区域和底层结构进行详细目视检查和敲击测试检查，查看是否有分层或脱胶现象，然后更换新的雷达罩保护膜。不揭除保护膜将无法通过敲击测试辨别音质的方法确定是否有损伤。雷达罩复合材料对冲击损伤比较敏感，砂石，冰雹、鸟击等因素会导致雷达罩内部分层、脱胶等，进而造成雷达罩剩余强度大大降低。如果损伤未及时处理，会导致蜂窝夹层结构雷达罩蜂窝大面积进水，极大影响透波率。鉴于雷达罩容易损伤的特点，日常维护中应加强雷达罩的例行检查，在发现雷达罩出现异常情况时及时处理才能最大程度地避免或减轻雷达罩的损伤或蔓延。在航空公司引进737NG飞机时，建议可以优先考虑泡沫夹层结构雷达罩，因其相对于蜂窝结构雷达罩来说力学性能更好，同时因其芯材的闭孔特性，水汽难以进入，可大大减少雷达罩的维修次数，有效減少飞机的AOG停场，从而为航空公司节省运营成本。

参考文献

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