飞机复合材料结构的检查与修理

前言:

最近几年公司运营的飞机上发生过多起蜂窝类复合材料结构因分层而造成的意外停场修理,包括:前缘缝翼后缘楔形件的上蒙皮空中丢失,后缘襟翼后缘楔形件大面积分层导致需外送厂家进行修理,雷达罩因含水和分层面积过大必须执行超出持续适航性文件的修理,等等。此外,根据现场调查发现,在飞机维修和检查过程中对某些未超出结构修理手册的损伤,在未执行保护措施或完成修理的情况下继续运行飞机,导致未超手册损伤在飞机运行中持续扩大而未被发现,此外,因不正当修理导致未完全恢复损伤区域性能或修理丢失等情况也有发生,现根据复合材料的特性提供飞机复合材料结构的一部检查与修理流程,供现场维修人员参考。

由于复合材料有很高的强度重量比,在飞机上使用复合材料能节省飞机的重量,目前世界上运营的飞机上有很多部件都采用了复合材料。本文主要针对飞机运行中发生的飞机复合材料结构损伤,从复合材料的特性和原理出发解释正确的检查与修理程序。

从定义上来说,复合材料是由两种或两种以上的保留其物理和化学特性的材料组成的一种新的多相材料,各组分材料之间有明显的界面。当外力加在复合材料上时,该组合将互相作用。

目前,应用在飞机结构上的复合材料主要是由高性能的纤维和树脂基体组成,其中,纤维是主要的承载元件,如玻璃纤维和碳纤维,而树脂基体的作用是支撑纤维,并传导纤维之间的剪切力。复合材料结构由一个或多个部件组成,其常见的组合形式有:蜂窝结构和层压部件。层压部件是利用预浸料单向带或预浸料织物制造而成,而蜂窝结构采用两边蒙皮中间夹蜂窝芯组成。在波音 777 和 787 上许多加强筋和蒙皮都是采用了层压部件形式,而目前几乎所有的波音和空客飞机上的舵面、整理罩和许多维护口盖都采用了蜂窝结构形式的复合材料结构,某些操纵舵面也采用了铝蜂窝和铝板组成的蜂窝类复合材料结构。

除了客舱内的复合材料结构损伤,飞机外部采用复合材料结构形式的部件在飞机运行中会由于碰擦、雷击、撞击,及其它环境因素导致损伤,常见的损伤有:

表面的划伤和穿透、分层、脱胶等,在飞机运行过程中正确的检查、判断和处理损伤,不仅会影响飞机的正常运行,也将影响到修理后期飞机的持续适航。根据复合材料的特性及相关维护资料,对飞机运行中发生的复合材料损伤处理流程应如上。

根据复合材料的特性,飞机上复合材料结构的不同损伤可采取不同的检查方法。

1

)脱胶或分层:

可通过敲击法(不是很厚的结构)进行检查,也可通过红外热成像检查法,或通过超声波进行检查,对延伸到表面的可通过目视或 X 光进行检查;

2)凹坑、裂纹和穿孔等损伤:

主要通过目视检查法可确认;

3)对含水或水汽浸入的损伤:

主要通过 X 光火红外热成像法进行确认,也可使用超声脉冲回波法进行检查;

4)对过热和烧蚀损伤:

主要通过检查表面变色情况或目视检查损伤;

5)对雷击损伤:

主要通过目视检查确认,同时通过敲击检查雷击区域确认其它损伤。

在飞机运行中,发现飞机上的复合材料结构损伤后,首先需根据飞机维护手册 AMM 确认损伤是否由于鸟击、冰雹或雷击等意外事件导致的,并按需扩大检查范围。根据损伤情况,选用正确的检查方法,记录损伤尺寸,并对照结构修理手册 SRM 中允许损伤,如损伤在 SRM 手册的允许损伤范围内,需按照 SRM 手册要求对损伤区域用铝箔进行覆盖,防止水汽浸入损伤区域,此步主要是因为复合材料的特性决定了受湿度和温度的影响比较大,复合材料特别是蜂窝类复合材料结构中累积的水汽在空中冰点以下会结冰膨胀,进而导致复合材料结构的分层和脱胶,随着时间的推移,扩大的分层和脱胶将导致复合材料结构的实效和丢失,导致飞机意外停场和修理成本的扩大。

如检查出的复合材料损伤可按结构修理手册 SRM 进行修理,必须按照 SRM 中不同的修理方法,选择正确的材料(如湿铺层或预浸料,玻璃纤维或碳纤维等),进行正确的铺层(与损伤区域制造时铺层方向相同),增加正确的额外铺层数量(太少会导致强度不足,太多会导致应力集中等问题),使用正确的加热固化方法(室温,还是真空袋加温,保持温度和时间,加减温度的速率),等等,确保修理完成后能恢复损伤区域复合材料结构的固有性能。

综上,复合材料在飞机上的应用越来越广泛,波音 787 飞机机身的 99%重量都已经采用了新型的复合材料,但由于复合材料的特殊性,航空公司在运行飞机中发生复合材料损伤后是否采用了正确合理的检查和修理方法,将决定飞机复合材料结构修理时间和成本的多少,如果在发现允许损伤范围内的复合材料损伤没有采取正确的贴铝箔等保护措施,特别是蜂窝类复合材料结构中进入水汽而导致大面积分层,进而导致飞机损伤扩大和修理成本增加。

此外,复合材料修理执行过程中没有选取正确的修理方案也将会导致重修等修理成本的增加,本文粗略描述了飞机上常用复合材料损伤检查和修理的一般流程,供飞机现场维修人员参考。

前言:

最近几年公司运营的飞机上发生过多起蜂窝类复合材料结构因分层而造成的意外停场修理,包括:前缘缝翼后缘楔形件的上蒙皮空中丢失,后缘襟翼后缘楔形件大面积分层导致需外送厂家进行修理,雷达罩因含水和分层面积过大必须执行超出持续适航性文件的修理,等等。此外,根据现场调查发现,在飞机维修和检查过程中对某些未超出结构修理手册的损伤,在未执行保护措施或完成修理的情况下继续运行飞机,导致未超手册损伤在飞机运行中持续扩大而未被发现,此外,因不正当修理导致未完全恢复损伤区域性能或修理丢失等情况也有发生,现根据复合材料的特性提供飞机复合材料结构的一部检查与修理流程,供现场维修人员参考。

由于复合材料有很高的强度重量比,在飞机上使用复合材料能节省飞机的重量,目前世界上运营的飞机上有很多部件都采用了复合材料。本文主要针对飞机运行中发生的飞机复合材料结构损伤,从复合材料的特性和原理出发解释正确的检查与修理程序。

从定义上来说,复合材料是由两种或两种以上的保留其物理和化学特性的材料组成的一种新的多相材料,各组分材料之间有明显的界面。当外力加在复合材料上时,该组合将互相作用。

目前,应用在飞机结构上的复合材料主要是由高性能的纤维和树脂基体组成,其中,纤维是主要的承载元件,如玻璃纤维和碳纤维,而树脂基体的作用是支撑纤维,并传导纤维之间的剪切力。复合材料结构由一个或多个部件组成,其常见的组合形式有:蜂窝结构和层压部件。层压部件是利用预浸料单向带或预浸料织物制造而成,而蜂窝结构采用两边蒙皮中间夹蜂窝芯组成。在波音 777 和 787 上许多加强筋和蒙皮都是采用了层压部件形式,而目前几乎所有的波音和空客飞机上的舵面、整理罩和许多维护口盖都采用了蜂窝结构形式的复合材料结构,某些操纵舵面也采用了铝蜂窝和铝板组成的蜂窝类复合材料结构。

除了客舱内的复合材料结构损伤,飞机外部采用复合材料结构形式的部件在飞机运行中会由于碰擦、雷击、撞击,及其它环境因素导致损伤,常见的损伤有:

表面的划伤和穿透、分层、脱胶等,在飞机运行过程中正确的检查、判断和处理损伤,不仅会影响飞机的正常运行,也将影响到修理后期飞机的持续适航。根据复合材料的特性及相关维护资料,对飞机运行中发生的复合材料损伤处理流程应如上。

根据复合材料的特性,飞机上复合材料结构的不同损伤可采取不同的检查方法。

1

)脱胶或分层:

可通过敲击法(不是很厚的结构)进行检查,也可通过红外热成像检查法,或通过超声波进行检查,对延伸到表面的可通过目视或 X 光进行检查;

2)凹坑、裂纹和穿孔等损伤:

主要通过目视检查法可确认;

3)对含水或水汽浸入的损伤:

主要通过 X 光火红外热成像法进行确认,也可使用超声脉冲回波法进行检查;

4)对过热和烧蚀损伤:

主要通过检查表面变色情况或目视检查损伤;

5)对雷击损伤:

主要通过目视检查确认,同时通过敲击检查雷击区域确认其它损伤。

在飞机运行中,发现飞机上的复合材料结构损伤后,首先需根据飞机维护手册 AMM 确认损伤是否由于鸟击、冰雹或雷击等意外事件导致的,并按需扩大检查范围。根据损伤情况,选用正确的检查方法,记录损伤尺寸,并对照结构修理手册 SRM 中允许损伤,如损伤在 SRM 手册的允许损伤范围内,需按照 SRM 手册要求对损伤区域用铝箔进行覆盖,防止水汽浸入损伤区域,此步主要是因为复合材料的特性决定了受湿度和温度的影响比较大,复合材料特别是蜂窝类复合材料结构中累积的水汽在空中冰点以下会结冰膨胀,进而导致复合材料结构的分层和脱胶,随着时间的推移,扩大的分层和脱胶将导致复合材料结构的实效和丢失,导致飞机意外停场和修理成本的扩大。

如检查出的复合材料损伤可按结构修理手册 SRM 进行修理,必须按照 SRM 中不同的修理方法,选择正确的材料(如湿铺层或预浸料,玻璃纤维或碳纤维等),进行正确的铺层(与损伤区域制造时铺层方向相同),增加正确的额外铺层数量(太少会导致强度不足,太多会导致应力集中等问题),使用正确的加热固化方法(室温,还是真空袋加温,保持温度和时间,加减温度的速率),等等,确保修理完成后能恢复损伤区域复合材料结构的固有性能。

综上,复合材料在飞机上的应用越来越广泛,波音 787 飞机机身的 99%重量都已经采用了新型的复合材料,但由于复合材料的特殊性,航空公司在运行飞机中发生复合材料损伤后是否采用了正确合理的检查和修理方法,将决定飞机复合材料结构修理时间和成本的多少,如果在发现允许损伤范围内的复合材料损伤没有采取正确的贴铝箔等保护措施,特别是蜂窝类复合材料结构中进入水汽而导致大面积分层,进而导致飞机损伤扩大和修理成本增加。

此外,复合材料修理执行过程中没有选取正确的修理方案也将会导致重修等修理成本的增加,本文粗略描述了飞机上常用复合材料损伤检查和修理的一般流程,供飞机现场维修人员参考。


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