民用航空材料適航審定

沈小明，陳 挺，張迎春

(1 中國(guó)民用航空 適航審定中心，北京100102；2 中國(guó)民用航空 上海航空器適航審定中心，上海200335)

民用航空材料適航審定

沈小明1，陳 挺2，張迎春2

(1 中國(guó)民用航空 適航審定中心，北京100102；2 中國(guó)民用航空 上海航空器適航審定中心，上海200335)

以適航規(guī)章研究為基礎(chǔ)，結(jié)合民用航空器適航審定的經(jīng)驗(yàn)，分析適航規(guī)章對(duì)材料的適航條款，總結(jié)出對(duì)材料的核心適航要求是：材料應(yīng)符合某種材料規(guī)范，材料規(guī)范保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度性能和其他性能。分析國(guó)內(nèi)民用航空材料適航管理方法，提出改進(jìn)建議：(1)依據(jù)CCAR21.351至371條和CCAR 37的有關(guān)規(guī)定，對(duì)民用航空材料開(kāi)展單獨(dú)適航管理；(2)研究并推廣基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范制定方法，用于建立能夠保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度性能和其他性能的材料規(guī)范；(3)建立民用航空材料協(xié)作機(jī)制，基于統(tǒng)計(jì)建立民用航空材料設(shè)計(jì)值手冊(cè)，降低適航取證成本。最后給出材料規(guī)范建立過(guò)程中可采用的統(tǒng)計(jì)方法，為材料規(guī)范的建立提供了技術(shù)方法。

民用航空；適航審定；材料規(guī)范；統(tǒng)計(jì)

材料是構(gòu)成民用航空器的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料本身具備的性能屬性以及設(shè)計(jì)中對(duì)材料的合理運(yùn)用將對(duì)民用航空器的安全產(chǎn)生直接影響。在適航審定領(lǐng)域，適航規(guī)章均對(duì)材料直接提出適航要求，以保障民用航空器安全。

近年來(lái)，中國(guó)民航適航審定工作者基于ARJ 21-700飛機(jī)、C919飛機(jī)、蛟龍600飛機(jī)等航空產(chǎn)品的新材料、國(guó)產(chǎn)材料適航審定工作，結(jié)合對(duì)國(guó)外飛機(jī)產(chǎn)品的認(rèn)可適航審定經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)國(guó)內(nèi)外航空器制造商、航空材料制造商的調(diào)查研究，深入思考民用航空器適航規(guī)章關(guān)于材料適航要求的內(nèi)涵，探索國(guó)內(nèi)民用航空材料適航管理的方式。本文解析了材料相關(guān)適航條款的核心要求，展望了可能適用于國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的民用航空材料適航管理方式，說(shuō)明了民用航空材料表明適航符合性主要的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

1 民用航空材料的適航規(guī)章要求

1.1 規(guī)章條款

中國(guó)民航(CAAC)關(guān)于民用航空器的適航規(guī)章CCAR 23,CCAR 25,CCAR 27,CCAR 29第603條款要求[1-4]：

其損壞可能對(duì)安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

(a)建立在經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上；

(b)符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能；

(c)考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

CCAR 33第33.15條款[5]、CCAR 35第35.17條款[6]有類(lèi)似要求。

1.2 適航規(guī)章對(duì)材料的核心適航要求

通過(guò)適航審定工作和技術(shù)調(diào)研，認(rèn)為關(guān)于材料的核心適航要求是第603條中(b)款。進(jìn)一步解讀為：材料應(yīng)符合某種材料規(guī)范，材料規(guī)范應(yīng)具備保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度和其他性能的功能。

航空器設(shè)計(jì)資料使用基于統(tǒng)計(jì)且滿足一定概率要求的材料強(qiáng)度性能和其他性能。靜強(qiáng)度方面，設(shè)計(jì)所用的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

(1)應(yīng)基于足夠樣本的統(tǒng)計(jì)確定：1)對(duì)于單載荷路徑，材料強(qiáng)度值應(yīng)有99%的概率高于材料設(shè)計(jì)值(置信度95%)；2)對(duì)于多載荷路徑，材料強(qiáng)度值應(yīng)有90%的概率高于材料設(shè)計(jì)值(置信度95%)。

(2)或者，在“精選”的基礎(chǔ)上采用較高的某項(xiàng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但必須在使用前對(duì)每一零件的該項(xiàng)強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)試實(shí)現(xiàn)“精選”。

(3)或者，使用經(jīng)適航部門(mén)批準(zhǔn)其他材料設(shè)計(jì)值，如S值[7]。S值是基于較少樣本的假設(shè)正態(tài)分布1%概率對(duì)應(yīng)值。

疲勞評(píng)定方面，采用基于疲勞分散性統(tǒng)計(jì)得到的壽命分散系數(shù)的疲勞實(shí)驗(yàn)和/或基于統(tǒng)計(jì)的材料疲勞強(qiáng)度的疲勞分析；損傷容限評(píng)定方面，需采用基于統(tǒng)計(jì)得到的材料斷裂韌度數(shù)據(jù)最小值[8]和平均裂紋擴(kuò)展速率。

因此，應(yīng)基于統(tǒng)計(jì)建立材料規(guī)范。只有基于統(tǒng)計(jì)建立的材料規(guī)范，才能保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的滿足一定概率要求的材料強(qiáng)度和其他性能。

2 民用航空材料的國(guó)內(nèi)外適航管理方法

2.1 國(guó)外局方對(duì)民用航空材料的適航管理

(1)通過(guò)行業(yè)材料規(guī)范和行業(yè)材料性能手冊(cè)，進(jìn)行間接適航管理

1)金屬材料方面，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)的AC 25.613-1和歐洲航空安全局(EASA)的AMC 25.613都指出：公布于MMPDS手冊(cè)中的材料設(shè)計(jì)值是可接受的[9]。根據(jù)MMPDS要求，材料應(yīng)符合MMPDS所列出的材料規(guī)范[8]，才能采用MMPDS手冊(cè)中數(shù)據(jù)。因此，MMPDS所列出的材料規(guī)范也直接被接受為2x.603條款的符合性證據(jù)。MMPDS手冊(cè)中的數(shù)據(jù)和信息、所引用的AMS材料規(guī)范都已經(jīng)按標(biāo)準(zhǔn)的制定程序得到評(píng)估和批準(zhǔn)，F(xiàn)AA和EASA不再對(duì)其進(jìn)行直接審查，主要基于第三方監(jiān)控和質(zhì)量保證體系保障。

2)復(fù)合材料方面，F(xiàn)AA接受NCAMP建立的復(fù)合材料行業(yè)規(guī)范作為2x.603條款的證據(jù)，接受NCAMP建立的復(fù)合材料設(shè)計(jì)值作為表明對(duì)2x.613條款的證據(jù)[10]。NCAMP關(guān)于建立復(fù)合材料規(guī)范和設(shè)計(jì)值的方法已經(jīng)落實(shí)了FAA所發(fā)布的關(guān)于復(fù)合材料鑒定、材料規(guī)范和工藝規(guī)范建立方法指導(dǎo)材料[11-14]的指導(dǎo)意見(jiàn)。

(2) 對(duì)于根據(jù)民用航空器具體需求建立的用戶材料規(guī)范，F(xiàn)AA和EASA在適航審查中對(duì)該用戶材料規(guī)范及其建立過(guò)程進(jìn)行直接審查。

FAA和EASA采用的民用航空材料適航管理方法，以長(zhǎng)期的技術(shù)積累和社會(huì)誠(chéng)信體系為基礎(chǔ)，保證了民用航空器的安全，減少了適航審查中評(píng)估和批準(zhǔn)材料規(guī)范、材料性能數(shù)據(jù)的工作，還顯著降低了適航審定的成本，也為材料供應(yīng)商和用戶樹(shù)立了一套有序的材料開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用機(jī)制。

2.2 CAAC對(duì)民用航空材料的適航管理

目前， CAAC對(duì)民用航空材料的適航管理方式為：(1)不單獨(dú)對(duì)民用航空材料開(kāi)展適航審查和頒證，隨民用航空器的適航審定進(jìn)行直接審查。(2)對(duì)于FAA和EASA直接接受的MMPDS及其所列的行業(yè)材料規(guī)范，在適航審定實(shí)踐中，在說(shuō)明適用性的前提下，接受申請(qǐng)人選用MMPDS中的材料設(shè)計(jì)值及對(duì)應(yīng)的行業(yè)材料規(guī)范作為符合性證據(jù)。(3)對(duì)于選用國(guó)內(nèi)行業(yè)材料規(guī)范及相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)值，需表明這些行業(yè)規(guī)范建立過(guò)程中是否基于統(tǒng)計(jì)的方法、用于材料規(guī)范建立的材料生產(chǎn)是否處于穩(wěn)定，以確認(rèn)國(guó)內(nèi)行業(yè)手冊(cè)中材料設(shè)計(jì)值滿足適航的要求。(4)對(duì)于根據(jù)民用航空器具體需求建立的用戶材料規(guī)范，CAAC在民用航空器的適航審查中對(duì)該用戶材料規(guī)范及其建立過(guò)程進(jìn)行直接審查。

現(xiàn)有的CAAC對(duì)民用航空材料適航管理模式使得國(guó)內(nèi)民用航空材料適航審定直接介入材料規(guī)范建立、材料設(shè)計(jì)值建立，范圍大、程度深，加大了型號(hào)申請(qǐng)人和適航審定部門(mén)的成本；國(guó)內(nèi)缺少可直接接受的行業(yè)材料規(guī)范和材料設(shè)計(jì)值手冊(cè)，適航審定的成果局限在民用航空器的各個(gè)申請(qǐng)人，共享性差，限制了工作效率；國(guó)產(chǎn)材料符合國(guó)外行業(yè)規(guī)范的技術(shù)難度巨大，限制了性能優(yōu)異但又有別于國(guó)外材料的優(yōu)秀國(guó)產(chǎn)材料的使用，對(duì)國(guó)內(nèi)航空材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)作用有限。

2.3 對(duì)國(guó)內(nèi)民用航空材料適航管理的思考

為促進(jìn)國(guó)內(nèi)民用航空材料適航管理的發(fā)展，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并考慮國(guó)內(nèi)航空材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，作者認(rèn)為可以開(kāi)展三方面工作：(1)適航管理上，適航審定部門(mén)依據(jù)CCAR21.351～371條和CCAR 37的有關(guān)規(guī)定，對(duì)國(guó)產(chǎn)民用航空材料開(kāi)展直接審查，逐步形成一系列民用航空材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可直接作為2x.603,33.15,35.17條款的證據(jù)；(2)合作機(jī)制上，適航審定部門(mén)和國(guó)內(nèi)材料生產(chǎn)和使用部門(mén)加強(qiáng)合作形成機(jī)制，成立充分理解適航規(guī)章要求和技術(shù)方法的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在基于統(tǒng)計(jì)建立材料規(guī)范的基礎(chǔ)上，基于統(tǒng)計(jì)建立滿足2x.613條款的材料設(shè)計(jì)值公共數(shù)據(jù)，作為共享數(shù)據(jù)資源，減少適航成本；(3)技術(shù)方法上，首先應(yīng)突破基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范制定方法，形成指導(dǎo)材料，用于指導(dǎo)國(guó)內(nèi)材料規(guī)范的制定，使材料規(guī)范具有保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度和其他性能的功能。

3 基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范

通常材料規(guī)范中包含三方面的技術(shù)要求：(1)直接影響材料性能/功能的材料生產(chǎn)工藝要求；(2)直接影響材料性能/功能的材料組成和組織結(jié)構(gòu)；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能全面控制的代表性的材料性能項(xiàng)目[7,15]。前文指出基于統(tǒng)計(jì)建立的材料規(guī)范才能保證材料具有設(shè)計(jì)資料中所采用的強(qiáng)度和其他性能。在此，討論確定材料規(guī)范中材料性能技術(shù)要求的統(tǒng)計(jì)方法。

3.1 材料規(guī)范建立統(tǒng)計(jì)方法探討

確定材料規(guī)范中材料性能技術(shù)要求的統(tǒng)計(jì)方法，主要解決三方面的問(wèn)題：(1)選擇并確定列在材料規(guī)范中的性能項(xiàng)目，保證設(shè)計(jì)所使用的性能都得到有效控制；(2)確定材料性能的接收限，使得被控制的材料性能能夠足夠高概率(99%)地達(dá)到設(shè)計(jì)將使用的性能；(3)材料規(guī)格的劃分。

列在材料規(guī)范中的性能項(xiàng)目的選擇與確定：首先選擇設(shè)計(jì)最主要使用的性能，如鋁合金材料的拉伸性能。其他設(shè)計(jì)要使用的性能，應(yīng)通過(guò)不同材料性能間的相關(guān)性性分析來(lái)確定是否需要列在材料規(guī)范中。適用的統(tǒng)計(jì)方法有相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析、回歸統(tǒng)計(jì)分析等。當(dāng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)論認(rèn)為材料性能之間密切相關(guān)，則可選擇其中一項(xiàng)列在材料規(guī)范中；反之，均需列在材料規(guī)范中。在工程統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域，有相關(guān)性分析、回歸分析的具體統(tǒng)計(jì)方法以及樣本要求、通過(guò)準(zhǔn)則等具體指導(dǎo)，本文不詳細(xì)展開(kāi)。

材料性能接收限的確定：一般采用1%拒收率確定材料性能接收限。分為幾種情況：性能最低值接收限，為性能分布1%概率對(duì)應(yīng)值，如強(qiáng)度性能；性能最高值接收限，為性能分布99%概率對(duì)應(yīng)值，如高強(qiáng)度鋼用于控制疲勞性能的強(qiáng)度值；性能最低和最高兩邊約束接收限，最低和最高值為性能分布上下各0.5%概率對(duì)應(yīng)值。統(tǒng)計(jì)材料性能接收限時(shí)，為充分考慮材料生產(chǎn)中可能的變異，需要樣本來(lái)自于多個(gè)生產(chǎn)批次，一般不少于3爐。樣本量較小時(shí)，采用假設(shè)正態(tài)分布的1%概率點(diǎn)對(duì)應(yīng)值(S基值)作為材料性能最小值的接受限；在樣本量積累足以計(jì)算得到A基準(zhǔn)值時(shí)，材料規(guī)范中的材料性能接收限應(yīng)該修正為A基準(zhǔn)值，以保證更加可靠。復(fù)合材料規(guī)范中材料性能接收限的計(jì)算遵循1%拒收率的原則，但因樣本小(低于30)、材料變異性稍大，統(tǒng)計(jì)方法有別于金屬材料，可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13,14]。

材料規(guī)格劃分，需根據(jù)材料性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同規(guī)格材料性能是否來(lái)自于同一母體?？刹捎玫姆椒ㄈ纾褐苯踊旌蠑?shù)據(jù)檢驗(yàn)是否符合正態(tài)分布，符合則認(rèn)為來(lái)自于同一母體，可以合并規(guī)格；對(duì)來(lái)自不同規(guī)格材料的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行Anderson-Darling檢驗(yàn)，如通過(guò)則認(rèn)為來(lái)自于同一母體，可以合并規(guī)格。

3.2 基于統(tǒng)計(jì)的材料生產(chǎn)過(guò)程控制

為奠定材料規(guī)范、材料設(shè)計(jì)值建立的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，材料生產(chǎn)商需建立生產(chǎn)過(guò)程控制體系，實(shí)現(xiàn)材料的穩(wěn)定生產(chǎn)。推薦在材料生產(chǎn)過(guò)程控制中采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)方法，即利用材料生產(chǎn)過(guò)程中和最終的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)控和進(jìn)行實(shí)時(shí)過(guò)程校正。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的具體方法參見(jiàn)AS9103 A[16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了相關(guān)規(guī)章對(duì)民用航空材料的核心適航要求：材料應(yīng)符合某種材料規(guī)范，保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度性能和其他性能。本文對(duì)比了民用航空材料國(guó)內(nèi)外適航管理現(xiàn)狀，提出了國(guó)內(nèi)航空材料適航管理改進(jìn)的建議：(1)依據(jù)CCAR21.351至371條和CCAR 37的有關(guān)規(guī)定，對(duì)民用航空材料開(kāi)展單獨(dú)適航管理；(2)研究并推廣基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范制定方法，用于建立能夠保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度性能和其他性能的材料規(guī)范；(3)建立民用航空材料合作機(jī)制，基于統(tǒng)計(jì)建立民用航空材料設(shè)計(jì)值手冊(cè)，降低適航成本。本文給出了材料規(guī)范建立確定性能項(xiàng)目、性能接受限和規(guī)格劃分的統(tǒng)計(jì)方法。

[1] 中國(guó)民用航空局. 正常類(lèi)、實(shí)用類(lèi)、特技類(lèi)和通勤類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR23-R3)[S].2005.

[2] 中國(guó)民用航空局. 運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR25-R4)[S].2011.

[3] 中國(guó)民用航空局. 正常類(lèi)旋翼航空器適航規(guī)定(CCAR27-R1)[S].2002.

[4] 中國(guó)民用航空局. 運(yùn)輸類(lèi)旋翼航空器適航規(guī)定(CCAR29-R1)[S].2001.

[5] 中國(guó)民用航空局. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定(CCAR33-R2)[S].2011.

[6] 中國(guó)民用航空局. 螺旋槳適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-35)[S].1987.

[7] SAE International. Editorial style manual for the preparation of aerospace material specifications metallic and process and nonmetallic materials [S].2002.

[8] Federal Aviation Administration. Metallic materials properties development and standardization (MMPDS) [Z].2012.

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[10] Federal Aviation Administration. Acceptance of composite specifications and design values developed using the NCAMP process (Memorandum AIR100-2010-120-003) [Z].2010.

[11] WARD S, McCARVILL W, TOMBLIN J. Guidelines and recommended criteria for the development of a material specification for carbon fiber/epoxy fabric prepregs(DOT/FAA/AR-06/10) [R]. Federal Aviation Administration, 2007.

[12] McCARVILL W, WARD W, BOGUCKI G. Guidelines and recommended criteria for the development of a material specification for carbon fiber/epoxy unidirectional prepregs update (DOT/FAA/AR-07/3) [R]. Federal Aviation Administration, 2007.

[13] TOMBLIN J S, NG Y C, RAJU K S. Material qualification and equivalency for polymer matrix composite material systems: updated procedure (DOT/FAA/AR-03/19) [R]. Federal Aviation Administration, 2003.

[14] SAE International. Composite materials handbook-17 composite materials handbook-17 (CMH-17) volume 1[M].PA: SAE International, 2012.

[15] AIR4779 C. User’s guide to AMS specifications [S].

[16] AS9103A. Aerospace series-quality management systems-variation management of key characteristics[S].2012.

2017-08-26；

2017-10-09

沈小明(1963—)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事民用飛機(jī)適航審定管理和適航審定技術(shù)研究，聯(lián)系地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)花家地東路3號(hào)中國(guó)適航審定中心(100102)，E-mail:shenxm_acc@caac.gov.cn

(本文責(zé)編：解 宏)

Airworthiness Certification of Civil Aviation Materials

SHEN Xiao-ming1，CHEN Ting2，ZHANG Ying-chun2

(1 Airworthiness Certification Center of CAAC,Beijing 100102,China; 2 Shanghai Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai 200335,China)

Based on years of airworthiness regulations research, combined with the experience of airworthiness certification of civil aviation products, the airworthiness requirement to materials for civil aviation products was analyzed. The key airworthiness requirement for materials is that materials should conform to some material specification to ensure their having the strength and other properties adopted in the design data. The shortcomings of domestic airworthiness management methods for civil aviation materials was discussed and three recommendations for improvement were proposed: (1) conduct individual airworthiness management for civil aviation materials according to CCAR 21.351 through 371 and CCAR 37; (2) develop and promote statistical-based material specification developing methods, to establish material specifications which could ensure material having the strength and other properties adopted in the design data; (3) establish a cooperation mechanism for developing material design value data base for civil aviation materials to reduce the cost of airworthiness certification activities. At the end of this paper, statistical methods used for establishing material specifications were discussed.

civil aviation;airworthiness certification;material specification;statistics

10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001084

V250

A

1001-4381(2017)11-0139-04