复合材料外场维修技术及几点建议

林正杰 段友社 白树成

摘 要：随着复合材料装机规模越来越大，其在使用和维护过程中的损伤和维修问题变得越来越突出。目前，国内装机复合材料的维修工作缺乏统一规划，不同机型采用“自顾自”的方式进行维修，同时维修方案往往没有考虑到外场维修条件和更新换代等问题。为解决这些问题，本文建议尽快建立军机复合材料结构损伤数据库和维修专家系统，以便开发选择适合外场条件下具有普遍适用性的修补材料系统和工艺规范。此外，本文建议设计部门在结构设计时，不仅要考虑结构减重效率，同时还要兼顾飞机的后续使用和维护保养。

关键词：复合材料；损伤数据库；维修专家系统；修补材料体系

树脂基复合材料因具有可设计性优异、高比强度、比模量、耐腐蚀等优异特性，现已成为航空制造领域不可缺少的材料之一［1］。复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%～40%、结构设计成本降低15%～30% 的优势，其逐步由非承力结构发展到次承力结构，直至目前在主承力结构上的广泛使用。近年来，复合材料加工和生产技术的飞速发展使得复合材料的生产成本大大降低，在面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准时，复合材料在新型飞机上的用量正大幅提高，波音和空客等航空公司在其民机上的复合材料使用量均超过50%，使用量也快速增加。随着复合材料装机使用规模逐步增加，复合材料结构损伤现象也日益突出，以汉莎2006年复材维修统计为例，日均发生4.5宗维修需求，平均每宗维修成本约200万［2］。

围绕航空复合材料维修事业的发展，中国南方航空在发展规划中提出针对部分常见损失制定修理规范的策略，通过保障体系和维修材料的使用规范提高维修效率及降低成本［3］。陆晓华等针对复材结构修理中修理决策的制定，提出了综合考虑损伤因素以安全性为约束条件的修理容限确定方法［4］。针对飞机不同位置，如桨叶等零件的损失，不同单位都在实践中探索了有价值的修复方法［5］。本文从复合材料缺陷的分类及原因出发，总结了针对不同损失的维修方法，并提出了对航空复材维修事业发展的几点建议。

1 复合材料缺陷及损伤产生原因

复合材料的损伤大部分是由于制造的缺陷或使用维护不当而引起的。设计与制造中的缺陷是造成复合材料结构件“先天缺陷”的主要原因，而使用与维护中的不当主要有地面的操作失误、鸟击、雷击、冰雹冲击、砂石冲击等因素。另外，环境也是引起复合材料损伤的一个原因，如复合材料过热引起的腐蚀以及表面保护漆层剥离等损伤。地面的错误操作造成的损伤主要集中在飞机的机身、飞机的机翼和舱门等，而雷击、鸟击主要集中在雷达罩、风挡玻璃等［6］。

1.1 制造过程产生的缺陷

复合材料因其轻量化、高强度和耐腐蚀等性质而被广泛应用于各行各业。然而，复合结构在生产、装配和使用过程中可能出现各种类型的缺陷，这些缺陷会影响它们的性能和使用寿命。一种常见的复合结构类型是层压板，可能出现脱层、贴合不良、皱褶或折叠、鼓包、分层、杂质、过度打磨或损伤纤维、边缘脱层损伤等缺陷。另一种常见类型是复合材料蜂窝夹层结构，可能出现蜂窝芯格压缩、蜂窝芯凹陷和芯子与蒙皮分层等缺陷。这些缺陷可能影响结构的强度和刚度，如果不及时处理可能导致灾难性失效。

在复合部件的装配过程中，可能因钻孔、打钻孔、铆接、螺纹连接和变形等原因出现缺陷。常见的缺陷包括制孔缺陷、锪窝缺陷、铰孔缺陷（主要是表面脱层，层数较少）、铆接时缺陷、螺接时缺陷、扭曲/变形等缺陷。这些缺陷可能影响部件的适配性、对齐度和结构完整性。为确保复合结构的安全性和可靠性，必须定期监测和检查它们。在生产过程中，采取跟踪和检测措施以检测缺陷并防止其扩散。在使用和维护过程中，应及时修复任何损坏或缺陷，以防止进一步恶化和潜在故障。复合结构的维修涉及各种技术，如补片、粘接和更换，应由经过培训和合格的人员执行，以确保正确的维修和质量控制。

1.2 使用维护过程中产生的损伤

以某型机某复合材料平尾部件为例，统计近十年发生的损伤，其中鸟撞约占20%，人为造成的损伤约占70%，冰雹、砂石冲击等其他原因约占10%。由此可见，人为失误造成的复合材料零部件损伤仍占大多数，虽然已经发展了几十年，各设计、研发、生产单位对复合材料耐疲劳、耐腐蚀、怕冲击等特性都有了全面了解，并对使用单位进行了广泛培训，但是从维修经历来看，对复合材料使用维护的培训还是不够细致和全面。

1.2.1 鸟撞等因素引起的撞击损伤

尽管飞机场站在飞行起降过程中都会采取各种措施来防止鸟类与航空器发生碰撞，但鸟撞事件仍然是时有发生。鸟撞等撞击事件可能会对航空器的结构造成严重破坏，严重影响飞行安全。在航空器上，最容易受到鳥撞影响的部位主要集中在机头雷达罩、机翼、平尾的前缘等区域，这些部位通常是航空器表面最突出的部位。如图1所示，这些部位的损坏可能会导致严重后果，如损坏飞行控制系统、干扰飞行员视线、破坏气动表面等。因此，为了确保航空器的安全性和可靠性，在设计和制造航空器时必须充分考虑鸟撞等因素，采取必要的措施来减轻鸟撞事件对航空器的影响；同时在飞行维护过程中，也需要对航空器进行定期检查和维护，及时发现并修复可能存在的鸟撞损伤。

1.2.2 砂石冲击、冰雹冲击、雷击等引起的损伤

飞机在飞行训练、起降、地面滑行等过程中，可能会遇到跑道表面杂物、碎石、轮胎磨损碎片等障碍物的冲击，这些冲击会对飞机的复合材料零部件造成损伤。此外，飞机在遇到恶劣天气时，如冰雹、雷击等自然现象也会导致结构损伤（如图2所示）。相对于鸟撞造成的损伤，这些损伤程度较轻，但仍然需要引起重视。大部分此类损伤可以通过目视检查来发现，但在冲击能量较小的情况下，一些损伤可能需要更为严格的结构定期检查程序来及时发现和修复。因此，严格执行飞机维护和定检程序，对于确保飞机结构的完整性和安全性至关重要。

1.2.3 人为操作失误

操作失误引起的结构受损是飞机在日常飞行及保养过程中比较常见的问题之一，这些损伤形式各异，有些会对结构造成严重的破坏，而有些则只会造成轻微的损伤（如图3所示）。这类损伤的原因多种多样，例如驾驶员的操作失误、维护人员的失误等。此类损伤的受损部位主要集中在结构边缘和上翼面，边缘损伤是由于各种撞击引起，例如跑道、设备、工具等，而上翼面主要是因为维护人员的疏忽，例如工具掉落、踩踏等造成。这些损伤如果不及时修复，会对飞机的安全性产生潜在的威胁，因此需要对飞机进行定期的维护和检查，及时发现和处理这些损伤。

2 复合材料维修技术

复合材料结构维修技术是一门系统性技术，包括损伤检测、损伤评估、维修方案设计、维修工艺确定及损伤效果评定等方面。在复合材料结构维修过程中，准确的损伤检测和评估是基础。通常情况下，采用无损检测技术（NDI）进行损伤定位和范围确定，其中超声检测技术是常用的方法。在损傷检测基础上，需要进行维修方案设计，根据损伤特性和试验数据确定补片的几何形状、材料选择、铺层顺序和层数等，以确保修理后的结构能满足安全性要求。

维修工艺也是复合材料结构维修过程中非常重要的一部分。常用的维修工艺包括胶接修理、机械连接、注胶、胶铆结合等。胶接修理是最常用的维修方法，通过清除损伤部位，处理待胶接面并选择适当的维修设备和固化参数，完成补片与母体结构的胶接。维修后需要进行验证和评估，以保证修理后的结构符合安全性要求。验证和评估要基于修理试验数据和复合材料结构特性，综合考虑修理后的检测结果进行评定。需要注意的是，复合材料结构的维修需要高度的技术水平和严格的工艺流程，不得随意更改维修方案和工艺。同时，对于复材结构的损伤和维修，应该严格遵循制定的维修手册和技术规范，确保维修后的结构具有良好的性能和安全性。

3 几点建议

3.1 建立损伤及维修数据库，开发维修专家系统

在现场修复损伤的过程中，从损伤的检测和报告到设计单位制订维修计划再到维修单位实施修复是一个非常复杂和耗时的过程。这个过程经常无法快速响应，这可能会影响飞机运营商的日常飞行任务。此外，由于缺乏协调一致的研究和发展飞机维修计划，各种飞机模型的维修数据相对分散。这导致缺乏损伤、维护和技术修复信息的综合数据库，严重影响了维修工作的快速响应能力。因此，迫切需要开发一种专业的系统和数据库，能够诊断故障、确定损伤、提出维修计划和确定维修范围内的维护程序。该系统应提高飞机维护的响应速度，并确保为飞机运营商提供及时高效的服务。

3.2 根据结构类型选材选择具有普适性的维修材料体系

目前，中国飞机结构中使用的复合材料修复仍处于探索初级阶段。每种飞机模型、结构和材料系统基本上是独立的，导致飞机中使用了数十种不同的复合材料系统。在受损时，每个飞机模型倾向于选择与其原始结构相似的材料系统进行修复。然而，这给维修单位在准备、实施维修计划、设备要求和维护人员所需技能方面带来了重大障碍。维修材料系统缺乏普适性，进一步阻碍了维修工作的响应速度。此外，随着飞机结构原材料系统越来越过时，依靠它来满足修复工作的需求已不可能。因此，迫切需要选择和开发一种适用于各种结构的复合材料体系和黏合材料。这需要系统研究以评估维修材料的性能、维修效率、维护程序和修复工作的有效性。

3.3 结构设计兼顾后期维修维护

复合材料以其卓越的结构性能而闻名，有效地降低了结构重量，成为许多飞机的设计目标。然而，在过去的十年中，维修工作的经验表明，薄壳夹芯结构虽然具有出色的结构性能，但容易受到撞击等损伤。事实上，某种类型的飞机的统计数据显示，夹芯结构占复合材料损伤的一半以上。因此，从维修工作的角度来看，结构设计不仅应该关注重量的减少，还应该考虑飞机的后续使用和维护。设计应该优先考虑易于维修、损伤区域的可访问性和与维修材料的兼容性，以减少维修工作的复杂性，确保飞机运营的安全和效率。

3.4 加强维修人员培训与技能提升

飞机结构维修需要高度专业的知识和技能。在中国，维修人员的培训和教育并没有跟上航空业的快速发展。许多维修人员缺乏系统性和专业性的培训，其知识和技能往往局限于特定类型的飞机或维修任务。此外，维修人员短缺和人员流失率高进一步加剧了这个问题。为了解决这个问题，有必要加强维修人员的培训和教育，建立系统性和专业性的培训体系，并提供持续的培训和教育机会来提高他们的知识和技能。此外，鼓励维修人员积极参与新维修技术的研发，提高他们的创新能力，促进维修工作的持续改进也是非常重要的。

3.5 加强技术创新，推动行业发展

飞机结构维修是一个高度技术和创新的领域，需要不断研究和开发新技术和材料。近年来，中国在飞机的发展方面取得了重大进展，但维修技术和材料的研发滞后，缺乏创新和技术进步已成为飞机维修行业发展的瓶颈。为了促进行业的可持续发展，有必要加强技术创新，推动新的维修技术和材料的开发，这可以通过建立健全的研发体系，促进产、学、研合作，以及建立创新平台来实现。通过促进技术创新，飞机维修行业可以实现持续和健康的发展，并为整个航空业的发展做出贡献。

参考文献：

［1］赫晓东，彭庆宇，薛福华，等.纳米碳复合材料在航空领域应用研究进展［J］.航空制造技术，2022，65（16）：3243.

［2］汤海龙，雷社昌，闫华伟.复合材料结构在航空领域的故障及维修［J］.科技资讯，2022，20（17）：6871.

［3］李志歆，张治富，高赛.国产大飞机复合材料维修能力探究分析［J］.航空维修与工程，2019，333（03）：3032.

［4］陆晓华，邵传金，左洪福.飞机复材结构的修理容限确定方法［J］.系统工程理论与实践，2019，39（12）：32173228.

［5］樊占鹏，李梦，陈世章，等.某型飞机复合桨叶维修技术研究与应用［J］.科学技术创新，2022（34）：189192.

［6］祝琨，毛阳，郭垠昊.航空复合材料的损伤与维修［J］.中国科技信息，2010，403（14）：131+163.

作者简介：林正杰（1989— ），男，汉族，吉林磐石人，研究生，工程师，研究方向：复合材料构件工艺研发。