形狀記憶合金管接頭技術(shù)在民用23部飛機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的適航考慮

徐 海，李保良，杜 荃，張 磊

（1.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，沈陽 110043；2.中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，哈爾濱 150066）

航空液壓系統(tǒng)中，管路連接件是保證系統(tǒng)能量傳輸?shù)耐ǖ?，既要保持?nèi)部通暢，流阻小，又要相對系統(tǒng)外部無泄漏，管接頭在這其中起到了重要作用。管接頭作為飛機(jī)液壓系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，敷設(shè)于全機(jī)各個部位，數(shù)量眾多，并且與飛機(jī)液壓系統(tǒng)安全性關(guān)系重大，任何一個接頭損壞，都可能造成重大事故。因此，選擇并應(yīng)用一種可靠性高、維修性好、重量輕及壽命長的管路連接接頭是飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的一項(xiàng)重大課題。

國產(chǎn)民用運(yùn)-12F飛機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了新型記憶合金管接頭技術(shù)，這種新型的液壓管路連接技術(shù)在國內(nèi)民航適航取證中尚屬首例應(yīng)用，因此探究和解析其適航審定方法和符合性驗(yàn)證思路很有意義。

1 飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路傳統(tǒng)連接形式

飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路傳統(tǒng)連接形式一般可分為可拆卸連接和永久性連接兩種形式。

可拆卸連接形式主要有74°擴(kuò)口連接和無擴(kuò)口導(dǎo)管連接兩種形式。永久性連接方式有釬焊接頭、焊接接頭、擠壓式接頭和熱裝接頭。目前國內(nèi)航空液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,永久性連接常用釬焊擠壓接頭和雙擠壓式接頭兩種連接形式[1]。

管路傳統(tǒng)連接形式需要保證較好的可達(dá)性和足夠的操作空間，另外，由于安裝受操作技術(shù)等主觀因素影響較多，容易發(fā)生跑冒滴漏等故障。因此，在航空液壓系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)中應(yīng)用一種新式的連接形式十分必要。

2 記憶合金管接頭技術(shù)簡要介紹

自發(fā)現(xiàn)記憶合金特殊的形狀可記憶特點(diǎn)以來，多國科研人員已經(jīng)基于不同常規(guī)金屬，如TiNi、Cu、Fe等合成了多達(dá)數(shù)十種記憶合金，并形成了多學(xué)科應(yīng)用。

目前在航空液壓領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣的是TiNiFe低溫記憶合金，記憶合金管接頭的記憶功能源于TiNiFe記憶合金存在兩個穩(wěn)定相，即高溫相-奧氏體相和低溫相-馬氏體相[2]。

當(dāng)溫度低于馬氏體相變溫度，奧氏體相(B2結(jié)構(gòu))經(jīng)無擴(kuò)散相變轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶馬氏體相(B19′結(jié)構(gòu))，在外力作用下孿晶馬氏體去孿晶形成形變馬氏體。當(dāng)溫度高于逆馬氏體相變溫度，伴隨形狀恢復(fù)，形變馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，同時(shí)原有形狀得以恢復(fù)[3]。圖1是TiNi記憶合金相變過程中結(jié)構(gòu)變化示意圖。

在較高溫度下，記憶合金的奧氏體結(jié)構(gòu)擁有和大多數(shù)金屬類似的壓力-張力曲線。而在較低溫度下，其馬氏體結(jié)構(gòu)的壓力-張力曲線則表現(xiàn)出其在“穩(wěn)定”的壓力下所具有的彈性特征，如圖2所示[4]。

新型的形狀記憶合金接頭也是一種新型的永久性連接方式。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國產(chǎn)運(yùn)-12F飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路中，具體應(yīng)用連接形式如圖3所示。

TiNi基形狀記憶合金管接頭連接技術(shù)目前是國際上比較先進(jìn)的管路連接技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的螺紋連接無擴(kuò)口式管接頭，具有安裝工具簡便、安裝空間狹小、不易泄漏、重量輕、無需X射線等復(fù)雜檢測、安裝快捷、無高溫作業(yè)環(huán)保性強(qiáng)等多方面優(yōu)勢。

圖1 TiNi記憶合金相變過程中結(jié)構(gòu)變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure change of TiNi memory alloy during phase transformation

圖2 壓力-張力曲線Fig.2 Curve of pressure-tension

圖3 運(yùn)-12F飛機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)用記憶合金接頭形式Fig.3 Shape memory alloy coupler application in Y12F aircraft hydraulic system

由于具有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，形狀記憶合金技術(shù)工程化后，被迅速地應(yīng)用于航空工業(yè)領(lǐng)域。美國F-14型軍用戰(zhàn)斗機(jī)的液壓系統(tǒng)中，平均每架要用800多個形狀記憶合金接頭[5]。此外，波音、空客、龐巴迪、塞斯納、貝爾等眾多國外民用飛機(jī)制造廠商的大量型號都不同程度地應(yīng)用了此項(xiàng)新技術(shù)。由于記憶合金良好的適應(yīng)性，其連接已經(jīng)可以適用于多種不同材質(zhì)的常規(guī)導(dǎo)管，最新的記憶合金管路連接件耐壓強(qiáng)度已經(jīng)可以達(dá)到8000Psi。從美、歐等先進(jìn)航空制造國家對記憶合金的應(yīng)用歷史來看，記憶管路連接件應(yīng)用超過百萬數(shù)量級，但泄漏案例從未見諸于公開文獻(xiàn)。

20世紀(jì)60年代至今，國內(nèi)航空業(yè)生產(chǎn)中各種管路的連接一直沿用傳統(tǒng)的壓配、擴(kuò)口螺紋連接和焊接等技術(shù)，制造工藝復(fù)雜、影響因素多、可靠性差。各類飛機(jī)中20%的事故出現(xiàn)在管路系統(tǒng)，管路連接是航空器研制和生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。伴隨著航空器技術(shù)的進(jìn)步，管路系統(tǒng)的功能指標(biāo)和復(fù)雜程度不斷提高，傳統(tǒng)連接技術(shù)無法滿足使用要求。在這種情況下，運(yùn)-12F飛機(jī)在設(shè)計(jì)中考慮在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用記憶合金管件來實(shí)現(xiàn)快捷可靠的安裝。

3 液壓系統(tǒng)中應(yīng)用記憶合金管接頭的適航審定要求和符合性驗(yàn)證思路

運(yùn)-12F飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了記憶合金管接頭技術(shù)，這是此項(xiàng)新技術(shù)在國內(nèi)民用航空器領(lǐng)域的首次應(yīng)用，是一個重大突破，也是國內(nèi)民航適航審查部門需要面臨的一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。需要明確針對此項(xiàng)新技術(shù)在通勤類飛機(jī)液壓系統(tǒng)上的應(yīng)用的適航驗(yàn)證思路，并結(jié)合具體的驗(yàn)證過程實(shí)踐完善，最終完成相關(guān)的適航驗(yàn)證工作。通過總結(jié)相關(guān)的驗(yàn)證過程，最終形成民用航空器中記憶合金接頭的適航審定方法，為將來此項(xiàng)技術(shù)在航空機(jī)載系統(tǒng)上的廣泛應(yīng)用提供實(shí)用案例及適航審定指導(dǎo)。

運(yùn)-12F飛機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)用的記憶合金接頭是由美國AEROFIT公司生產(chǎn)，天津美隆航科技發(fā)展有限公司代理的產(chǎn)品。該形狀記憶合金接頭在美國適航當(dāng)局FAA審查監(jiān)督下已經(jīng)完成了接頭本身的氣壓、脈沖壓力、爆破壓力、旋轉(zhuǎn)彎曲、接頭強(qiáng)度、熱沖擊、應(yīng)力腐蝕和耐壓試驗(yàn)的驗(yàn)證。但是作為零部件應(yīng)用于運(yùn)-12F飛機(jī)中，還需要隨整個液壓系統(tǒng)進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證，來證明運(yùn)-12F飛機(jī)液壓系統(tǒng)使用形狀記憶合金接頭后可以滿足中國民航的適航審定基礎(chǔ)要求。

圖4 形狀記憶合金管接頭符合性驗(yàn)證流程圖Fig.4 Flow chart of compliance verification of shape memory alloy coupler

3.1 液壓系統(tǒng)中應(yīng)用記憶合金接頭的適用條款及符合性驗(yàn)證流程

國產(chǎn)民用運(yùn)-12F飛機(jī)屬于通勤類飛機(jī)，其審定基礎(chǔ)是《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-23-R3）[6]，該適航法規(guī)是依據(jù)《民航法》制定的適航標(biāo)準(zhǔn)和審定監(jiān)督規(guī)則，具有國家法律效力，帶有強(qiáng)制性，是必須執(zhí)行的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。在民用航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和試飛等各個階段，都要確保進(jìn)入民用航空運(yùn)輸領(lǐng)域的民用飛機(jī)符合規(guī)章的要求，具有規(guī)章要求的最低安全水平[7]。CCAR-23-R3中涉及到液壓系統(tǒng)的條款較多，但是針對該型號民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對于這種新型形狀記憶合金連接技術(shù)所適用的主要適航條款歸納如表1所示。

進(jìn)行符合性驗(yàn)證的流程如圖4所示。形狀記憶合金管接頭的符合性驗(yàn)證技術(shù)是試驗(yàn)類驗(yàn)證技術(shù)和安全性分析類驗(yàn)證技術(shù)的綜合應(yīng)用。

表1 液壓系統(tǒng)記憶合金接頭適用的適航條款及符合性方法表

3.2 F分部：設(shè)備適航條款

關(guān)于記憶合金管接頭的設(shè)備系統(tǒng)方面的適航要求，規(guī)定中23.1301條主要是對飛機(jī)上所安裝的設(shè)備的總要求。在符合性驗(yàn)證中，局方將組織領(lǐng)域?qū)＜?，以工程評審的形式確定記憶合金接頭是否符合相應(yīng)的適航條款要求。記憶合金接頭在液壓系統(tǒng)的安裝要按照專用的安裝技術(shù)條件來保證其符合性，并補(bǔ)充全機(jī)液壓系統(tǒng)地面試驗(yàn)內(nèi)容及飛機(jī)試飛試驗(yàn)報(bào)告來證明記憶合金接頭在使用過程中功能正常。典型連接形式防火試驗(yàn)如圖5所示。

按照《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》中23.1309條規(guī)定，采用安全性分析說明的方法，按功能系統(tǒng)對形狀記憶合金接頭進(jìn)行故障模式和影響分析（FMEA），并補(bǔ)充全機(jī)液壓系統(tǒng)地面試驗(yàn)內(nèi)容來證明記憶合金接頭在使用過程中安全可靠。由于本項(xiàng)技術(shù)是在國內(nèi)民用航空器領(lǐng)域的首次應(yīng)用，受到資料有限、數(shù)據(jù)量少等諸多限制，增加了安全評估的難度，也是適航驗(yàn)證技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。雖然記憶合金接頭本身在美國適航當(dāng)局FAA的監(jiān)督下完成了相關(guān)驗(yàn)證，但是由于管接頭作為飛機(jī)液壓系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，敷設(shè)于全機(jī)各個部位，數(shù)量眾多，與飛機(jī)液壓系統(tǒng)安全性關(guān)系重大，決定了其安全評估工作量大，復(fù)雜性高。

圖5 形狀記憶合金管接頭典型連接形式防火試驗(yàn)Fig.5 Fire-protection test of typical connection of shape memory alloy coupler

《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》中23.1435條是23部民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的專用條款，規(guī)定了系統(tǒng)成品設(shè)備和零部件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)、整機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級試驗(yàn)的適航要求[8]。記憶合金接頭供應(yīng)商應(yīng)提供相應(yīng)的適航支持文件，用以證明其最小設(shè)計(jì)破壞壓力符合2.5倍的工作壓力，以及耐壓壓力符合1.5倍工作壓力的適航條款要求。由于Y12F液壓系統(tǒng)功能較為單一，沒有專門組建地面鐵鳥模擬試驗(yàn)臺，因此液壓系統(tǒng)功能性和耐久性試驗(yàn)考核通過飛機(jī)機(jī)上地面試驗(yàn)來加以驗(yàn)證，同時(shí)形狀記憶合金接頭的安裝適航驗(yàn)證要求也隨整個系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行考核。

3.3 G分部：使用限制和資料

《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》中23.1529條款是關(guān)于持續(xù)適航文件的要求，23部規(guī)章附件G中詳細(xì)說明了持續(xù)適航文件需要包括的內(nèi)容和格式。此外，附件G還規(guī)定了對于通勤類飛機(jī)必須提供用于該型飛機(jī)的專門修理方法。由于形狀記憶合金管接頭技術(shù)在國內(nèi)民用航空器中應(yīng)用尚處于起步階段，其安裝、檢驗(yàn)、儲存、運(yùn)輸，以及維修更換等操作都與傳統(tǒng)的管接頭有很大的差異，都需要在持續(xù)適航文件中加以詳細(xì)說明。專門用來運(yùn)輸和儲存記憶合金接頭的專用保溫容器內(nèi)有不同大小和數(shù)量的分格以儲存和區(qū)分不同型號的記憶合金管件,并且可循環(huán)使用。

在維修手冊中一定要針對記憶合金接頭安裝和維修等新技術(shù)特點(diǎn)詳細(xì)說明其具體操作規(guī)程，并應(yīng)得到局方批準(zhǔn)認(rèn)可。此外，還應(yīng)該在持續(xù)適航文件中列出安裝和維修記憶合金接頭所需要的專用工具清單，以方便相關(guān)人員在日后飛機(jī)液壓系統(tǒng)維修和換裝時(shí)參照使用。

4 結(jié)束語

根據(jù)前面幾個章節(jié)的說明與介紹，可以清晰地看到，盡管記憶合金管接頭在國內(nèi)是一種新材料、新技術(shù)，但在中國民航的適航審定條款中已經(jīng)涵蓋了對其表明自身安全性與可靠性的要求與限制，可以通過多種符合性驗(yàn)證方法對其進(jìn)行考核、檢查。必須指出的是，民用航空適航條例僅僅是對民用航空器研制過程的總體管控，是航空器所要滿足的最基本安全要求。具體型號的航空器液壓系統(tǒng)如果想要達(dá)到更高安全性能標(biāo)準(zhǔn)，還必須通過申請人更科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證體系以及更合理可行的適航符合性驗(yàn)證工作來實(shí)現(xiàn)。今后深入研究記憶合金接頭專用的適航審定方法、符合性驗(yàn)證試驗(yàn)以及完善持續(xù)適航等要求，是下一步開展形狀記憶合金管接頭技術(shù)適航審定方法研究的重要課題。

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