浅谈碳纤维复合材料机体飞机的持续适航管理

■ 石刚/北京飞机维修工程有限公司重庆分公司

0 引言

先进的碳纤维复合材料具有良好的比强度、高的比刚度、优异的耐高温性能和耐腐蚀性能以及密度小等独特优点，尤其在民航飞机中碳纤维复合材料的应用对飞机结构的轻质化和高性能化起着至关重要的作用。碳纤维复合材料因其巨大的结构减重潜力、较高的比强度、比刚度特征以及广泛的材料可设计性，在飞机主结构件（PSE）中获得越来越广泛的应用。空客A350、波音787飞机主要受力部件如蒙皮、桁条、框的设计使用了碳纤维复合材料，表明飞机结构已经由成熟的铝合金结构进展到先进碳纤维复合材料结构阶段。

1 铝合金材料与碳纤维复合材料特性比较

铝合金材料有以下特性：

1）铝合金本身具有比强度高、加工性能好、成本低廉的特点；

2）通过改进热处理状态，每种合金可获得不同的性能级别，并不断改善综合性能，充分发挥合金的潜力和效用；

3）通过降低合金中铁、硅等杂质的含量，研制出一系列高纯、高强、高韧的新型铝合金，提高了合金的疲劳强度、断裂韧性，降低了裂纹扩展速率，改善了抗应力腐蚀性能。

因此，在碳纤维复合材料机身结构应用之前，铝合金材料是机身结构材料的最佳选择。但铝合金结构飞机在长期运行中，疲劳损伤、结构腐蚀依然是持续适航管理中必须重视的难题，相应的飞机制造厂家也制定了腐蚀防护与控制程序（CPCP）来保障机体的持续适航。

碳纤维复合材料有以下特性：

1）密度小、质量轻，碳纤维的密度为1.5～2g/cm3，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2；

2）抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000MPa，也高于钢，弹性回复为100%；

3）耐高温和低温性好，抗热冲击性出色，热膨胀系数小，抗腐蚀性优秀。

碳纤维复合材料在民航客机PSE上的大量使用，对飞机结构的轻质化和高性能化起着至关重要的作用，碳纤维复合材料机体从根本上解决了铝合金机体的腐蚀问题。由于碳纤维复合材料飞机自身材料特性及运行时间不长，迄今为止其疲劳损伤问题表现得并不很明显。

2 不同材料机体飞机损伤容限设计理念差异

飞机机体设计时，为了确保结构的安全性和可靠性，一般采用损伤容限设计。这就要求材料不仅有高强度，还具有较高的抗疲劳性能和一定的损伤容限要求。结构损伤容限设计主要是利用材料的缓慢裂纹扩展特性和含裂纹结构的剩余强度，来保证结构在给定的使用寿命期限内不因初始缺陷、裂纹及其他损伤扩展而发生结构失效。

铝合金机体结构中，机体是由铝合金加工热处理成型的部件铆接组装而成。为了提高飞机运行中机体维修的经济性，在损伤容限设计理念下，根据铝合金部件特有的金属特性设计了最大剩余强度，最大剩余强度在部件上表现为最小剩余厚度，指的是满足设计载荷条件下所需的最轻构件重量，以平衡安全性和经济性。当铝合金部件出现表面或边缘损伤及腐蚀时，首先应完全去除损伤，然后测量材料的剩余厚度，根据剩余厚度对照结构修理手册（SRM）评估损伤是否为允许损伤，或是需要补强修理还是更换新件，如图1、图2所示。

碳纤维复合材料机体结构由碳纤维与环氧树脂分段成型制作后经紧固件连接而成的。碳纤维复合材料中，基体为环氧树脂，增强体为碳纤维。投入运营后的复合材料机体飞机结构修理中的关键点就是确定是否需要修理和能否修理之间的界限，即确定修理容限的问题，这也是修理容限的设计理念。修理容限是根据结构的强度和刚度要求分别研究损伤情况下的剩余性能，同时结合修理人员的修理设计和工艺水平以及修理经济性等因素进行综合决策。

图1 损伤评估流程图（以机身蒙皮损伤为例）

图2 典型的去除损伤图

图3 修理容限损伤处理流程图

从图3可知，采用修理容限设计的碳纤维复合材料机体结构一旦出现损伤，无论是否损伤到纤维结构部分都必须第一时间对损伤进行修理，以保证碳纤维复合材料结构的安全性。而金属结构机体在损伤容限的设计理念下，只需要去除损伤即可保证金属结构的安全性。由于碳纤维复合材料的修理受工艺水平、修理环境、化工品储运条件等因素影响，因此在操作中需要严格执行修理要求。

3 飞机结构持续适航管理法规的要求

适航性是指航空器适合/适应于飞行的能力，是航空器的固有属性。适航性要求首先体现在技术方面，即系统安全性与物理完整性，其次体现在管理方面，即技术状态与过程控制的管理等。持续适航性指飞机交付使用后适航性的保持，其核心是保障飞机的使用安全性。可以说持续适航是全寿命成功的基础，关注适航性的监督与管理，才能确保运行安全。为了更好地保证民用航空器的持续适航和运行安全，中国民航局颁发了民航规章CCAR-121-R5，并于2017年10月10日生效实施。规章CCAR-121-R5附件J《航空器的持续适航与安全改进》还配套了8个相应的咨询通告（AC），不仅对航空器的结构和系统的维修工程管理提出了清晰严格的要求，而且明确了局方除日常监管外，还要以14年为门槛值、7年为循环周期强制对运营的航空器进行检查，以保障航空器持续适航和安全管理要求的切实落实。

4 碳纤维复合材料机体飞机在持续适航管理方面的特点

为了将CCAR-121-R5附件J《航空器的持续适航与安全改进》的要求在飞机持续适航管理中更好地执行，运营碳纤维复合材料机体飞机的航空公司工程部门需要结合复合材料机体设计理念及碳纤维复合材料特性，制定出完善的工作流程和有效的管理方法，以保证碳纤维复合材料机体飞机的持续适航性。碳纤维复合材料机体为修理容限设计，为了保证修理后飞机满足持续适航性，必须在修理设计、修理实施、修理记录等方面满足适航要求。

1）修理设计适航性管理

修理设计需要建立有效的工程管理流程及修理方案的适航批准机制。结构工程师在损伤判定的准确性及修理方案的符合性方面将起到至关重要的作用。例如，碳纤维机身蒙皮损伤，工程师需首先判断是否损伤到纤维层并明确受损纤维层的数量，进而根据受损纤维层数量决定采用可行的修理方案。工程师更需熟悉本单位的修理能力，以及特殊的工艺及技术要求在实施中能否达到。对于手册以外的修理设计方案及OEM厂家提供的修理方案，更需在获得相关部门专业人员评估审核批准后才能实施。

2）修理实施适航性管理

修理实施管理主要体现在维修人员的施工质量、维修环境及维修中所涉及的航材管理。FAA规章25部（FAR25）和FAA咨询通告（AC20-107B）对复合材料结构涉及安全与适航的技术要求与标准进行了规定，是复合材料结构进行适航符合性验证的依据。

由于碳纤维复合材料机体飞机投入运营时间不长，复合材料维修人员的技能水平不高且相应的机构培训及厂家培训不多，对复合材料标准修理技术规范及先进技术（如双真空包技术、高抽气压实）的掌握水平差异较大，因此需要建立碳纤维复合材料修理相关课程开发和人员培训。由于碳纤维复合材料修理中一般使用树脂、预浸料等胶粘物质，修理环境的空气洁净度、湿度、温度将直接影响修理效果，因此需要建立有效措施并购置相应设备以降低环境因子对修理的影响。碳纤维复合材料机体修理材料采用的树脂、碳纤维或预浸料等化工品都有严格的使用期限及储运条件等限制，因此在复合材料修理中，化工品的管理将是一项重要工作。从采购航材的适航性复核到航材运输中的环境控制，再到航材库房的管理和修理使用中的航材管理等，每个环节都需要进行可行有效的管控。

3）修理记录适航性管理

CCAR-121-R5附件J《航空器的持续适航与安全改进》及相应咨询通告已对航空器结构维修管理提出了严格要求，但由于航空器结构在管理和技术方面有其特殊性，普遍存在数据记录不准确或不完整问题。

碳纤维复合材料飞机机体为整体成型，不同于铝合金机体为多部件铆接而成，在标注具体损伤时缺乏参考点，使用图纸标准位置较困难且在记录复核时较难查找，不直观。这些都增大了碳纤维复合材料飞机结构管理的难度。

为保证碳纤维复合材料飞机结构管理中数据的准确性，需应用照片、视频、先进的测量方法等先进信息管理技术及多媒体技术，将损伤参数（尺寸、位置、损伤情况）和损伤状况以图像形式准确地记录并储存，再将修理结果以图像和数据的形式储存，并建立飞机机体3D模型管理系统。3D飞机模型系统能够准确标注损伤情况、处理过程、处理结果，利于后续的附加检查。