民用飞机复合材料结构在位修理环境控制方法研究

刘爱平 林仁伟 陈壁茂

摘要：在深入解读波音787、空客A350飞机修理手册不离位（以下统称在位）修理相关章节的基础上，结合波音787大翼复合材料结构某类修理工作，研究开发出一种用于民用飞机复合材料结构在位修理环境控制的方法。该方法经过多次修理验证有效，较好地满足了波音787复合材料结构在位修理工艺要求。

关键词：飞机复合材料结构；在位修理；环境控制方法；温度；湿度；空气悬浮粒子浓度

Keywords： aircraft composite structure；in-site repair；environmental control method；temperature；humidity；airborne particle count per cubic foot

0 引言

现代新型民用飞机如波音787、空客A350广泛采用复合材料来设计飞机机体结构，其用量已超过整机质量的50%（见图1、图2）。两大机型的重要结构如机身蒙皮、大翼翼盒（wing box）、水平安定面主扭力盒（main torque box）等均使用了复合材料。随着波音787、空客A350投入运营时间的增加，飞机复合材料结构损伤修理日益增多。一旦复合材料结构在航线运营过程中受损，必须考虑在位修理问题。重要结构修理对环境要求很高，但波音、空客飞机的复合材料在位修理只在修理手册里提供了技术指标，没有提供操作性强的方法，这给各航空公司造成了极大困扰。

本文结合波音787大翼复合材料结构某类修理工作的需要，研究开发了一种用于民用飞机复合材料结构在位修理环境控制方法，可有效控制飞机复合材料结构在位修理的环境，较好地提高了复合材料结构的修理质量。

1 民用飞机复合材料结构在位修理环境控制方法的现状

波音787、空客A350复合材料结构使用的部位及修理方式与老一代机型不同，老一代机型中复合材料为次要结构，其受损不会严重影响飞机安全运行，而新机型中复合材料已在重要结构上使用，其受损可能影响甚至危及飞行安全。在修理方式上，老一代机型的复合材料结构多可拆卸，可以离位[1]送到车间洁净室进行修理，而波音787、空客A350复合材料结构多为整体成型，大部分不可拆下修理。

在民用飞机复合材料结构修理中，合理的修理环境对修理质量的影响非常大，修理环境中的温度、湿度以及空气悬浮粒子浓度会影响复合材料结构修理后的力学强度，如果这三项指标达不到要求，修理区域复合材料补强件就不能恢复结构损失的承载能力，修理质量也就达不到适航要求的标准。尤其是，波音787、空客A350在重要结构上使用复合材料，如果修理环境达不到工艺要求，导致的修理质量问题可能影响甚至危及飞行安全。

民用飞机复合材料结构修理位置的复杂性给复合材料结构在位修理环境控制方法的研究增加了困难。纵观国内外民用飞机维修行业，复合材料结构在位修理环境控制方法均处于探索阶段，未见提出有效的控制方法和控制手段。

2 民用飞机复合材料结构修理环境工艺要求

目前，民用飞机结构修理手册（SRM）给出了复合材料结构铺层修理区（包括洁净室和洁净区）关于环境工艺的基本要求[2-4]，但未提供操作性强的复合材料结构在位修理环境控制的方法。例如，波音787修理手册中关于复合材料结构铺层修理区的环境工艺基本要求为：温度4℃～32℃，相对湿度<65%，空气悬浮粒子浓度为直径>0.5μm、颗粒数<400000/ft3，如图3所示。又如，空客A350修理手册中关于复合材料结构铺层修理区的环境工艺基本要求为：使用两种特殊环氧碳纤维预浸料（件号HexPly M20/34%/194/ IM7-12K和HexPly M20/34%/134/IM7-12K）时，温度18℃～27℃，相对湿度20%～70%，空气悬浮粒子浓度为直径>5μm、颗粒数<29300/m3[5]，如图4所示；使用其他修理材料时，温度18℃～30℃，相对湿度<75% 。

民用飞机复合材料结构维修实践证明，对于离位修理，要满足以上环境工艺指标较为容易，而对于在位修理，要满足以上环境工艺指标较为复杂。

2019年1月起，广州飞机维修工程有限公司需要执行一架波音787大翼复合材料结构某类修理工作[6]，该类工作需要在机库环境中在位修理。为了保障飞机维修质量，需要开发适合于波音787大翼复合材料结构在位修理的环境控制方法。

3 环境控制方法概述

3.1 环境控制装置的组成

本文中环境控制方法研究的核心是开发了一种可控制飞机复合材料结构在位修理环境工艺的装置，如图5所示，该装置的组成如下：1-溫度、湿度控制组件，包括移动空调机、除湿机和通风管附件等；2-空气净化组件，包括抽气组件、送风组件、高效空气过滤芯和通风管附件等；3-密闭式隔离罩组件，包括充气式四面拱形透明塑料帐篷、充气泵和通风管附件等；4-测量仪表组件，包括空气悬浮粒子计数仪、温湿度表。另外，在帐篷的两个对边留有开口，一个用于输送鲜风，一个用于排风和人员出入；在帐篷的正下方留空并设置裙边，以便接近修理位置、下方固定密封。

3.2 环境控制装置的基本操作方法

本文中环境控制装置的基本操作方法为：在需要执行在位修理的飞机复合材料结构区域，如波音787大翼上部，使用充气式四面拱形帐篷搭建一个密闭隔离空间；通过移动空调组件，经过高效空气过滤器，向帐篷内输送干净的、温度和湿度达标的空气；启动抽气、送风组件，使帐篷内形成鲜风正压，搭建一个密闭式洁净区；通风一段时间后测量帐篷内的环境工艺指标合格，修理员即可进入帐篷内开始修理工作；保持控制装置持续运作至工作结束，从而保证洁净区的环境满足飞机修理手册的要求。

3.3 环境控制方法的应用

本文中的环境控制方法经过地面调试后，已成功应用于多架波音787飞机大翼上部复合材料结构在位修理工作。环境工艺指标（温度、湿度、空气悬浮粒子浓度）和持续工作时间均满足波音787结构修理手册（SRM）的要求，如图6、图7所示。

表1列出了3架波音787大翼上部在位修理环境工艺数据统计。其中，标准值是指飞机修理手册规定的数据，洁净区外是指密闭式隔离罩外部，洁净区内是指密闭式隔离罩内部。从表1可以看出，该控制方法明显降低了洁净区内的空气相对湿度和空气悬浮粒子浓度，完全达到了修理手册规定的环境工艺指标。

4 结论

本文给出的环境控制方法能够有效控制波音787大翼复合材料在位修理的环境工艺指标，从而较好地提高了飞机复合材料结构在位修理质量。另外，通过改变密闭式隔离罩组件的构型，该方法也可以应用于波音787大翼之外其他区域的复合材料结构修理（在位或离位）中，如波音787、空客A350的机身蒙皮、水平安定面主扭力盒等。

参考文献

[1] CAAC CCAR-145-R3中国民用航空局.民用航空器维修单位合格审定规定 [S/OL]. 145.19，2005-09-27.

[2] Boeing .787 Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [Z]. B787-A-51-70-01-02A-010A-A，Mar 27/2020.

[3] Boeing. 787 Structural Repair Manual B787-81205-Z0210-00 [Z]. B787-A-51-70-01-03A-010A-A，Mar 27/2020.

[4] Airbus. 350 Aircraft Breakdown Manual CSN [Z]. A350-A-51-77-11-01001-667A-A，Jan 01/2020.

[5] ISO 14644-1：2015（E）[S/OL]. 4.3 ISO Class number.

[6] Boeing .Aircraft Service Bulletin B787-81205-SB570030-00 [Z]. Issue 001，Mar 17/2017.

作者簡介

刘爱平，高级工程师，复合材料修理车间主任。

林仁伟，工程师，主要负责飞机复合材料现场结构修理。

陈壁茂，工程师，主要负责飞机复合材料现场结构修理。