孔令勇，陸佳南，吳志斌

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

雖然航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和APU 制造商努力降低轉(zhuǎn)子非包容性損壞的概率，但服役經(jīng)驗(yàn)表明非包容性壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的破壞仍然存在[1-2]。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)致高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子碎片穿透附近的結(jié)構(gòu)、油箱口蓋、機(jī)翼下壁板、機(jī)身、系統(tǒng)設(shè)備、管路、EWIS線纜和其他安裝在飛機(jī)上的動(dòng)力裝置[3-9]。關(guān)于APU，盡管到目前發(fā)生的轉(zhuǎn)子非包容性故障僅對(duì)飛機(jī)造成輕微的影響，但轉(zhuǎn)子破壞所產(chǎn)生的碎片仍需引起關(guān)注[10]。既然轉(zhuǎn)子的非包容性失效不可能完全消除，CCAR25 部要求對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)必須采取預(yù)防措施，最大程度降低此類事件帶來的傷害[1]。因此，民用飛機(jī)油箱口蓋設(shè)計(jì)必須考慮低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊影響。

CCAR25.963-e-1 條款要求，運(yùn)輸類飛機(jī)油箱口蓋必須能承受住低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片、輪胎碎片或其他可能的碎片的沖擊以防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度。適航規(guī)章對(duì)油箱口蓋抗外來物碎片沖擊僅規(guī)定了一個(gè)原則性的要求，即沖擊后防止燃油的流失量達(dá)到的危險(xiǎn)程度，而對(duì)碎片的形狀尺寸、質(zhì)量、撞擊速度和撞擊角度均沒有說明。這是影響民用飛機(jī)抗碎片沖擊適航取證的一個(gè)技術(shù)難題，亟需解決。

本文對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片進(jìn)行了研究，而輪胎碎片及其他可能的碎片的沖擊另單獨(dú)研究。首先研究了碎片沖擊的規(guī)章、咨詢通告、相似飛機(jī)設(shè)計(jì)資料、論文以及國內(nèi)外技術(shù)專家交流報(bào)告，制定了碎片符合性驗(yàn)證思路、碎片模型及碎片影響范圍；隨后開展了碎片沖擊仿真初步分析和試驗(yàn)對(duì)比研究，提出了油箱口蓋雙層防護(hù)的抗碎片沖擊設(shè)計(jì)思想，以及各層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供相似飛機(jī)設(shè)計(jì)參考使用。

1 條款研究

本文對(duì)CCAR25、FAR25、CS25 及相關(guān)的咨詢通告[11-15]進(jìn)行了研究，找到相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，給出了差異對(duì)比分析，同時(shí)給出了油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的適航符合性驗(yàn)證思路。

1.1 CCAR25 部

CCAR25 部對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的要求條款為25.963-e-1，涉及的相關(guān)內(nèi)容摘取如下：“油箱口蓋必須滿足下述準(zhǔn)則，以防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度”，“位于經(jīng)驗(yàn)或分析表明很可能遭受撞擊的區(qū)域內(nèi)的所有口蓋，必須通過分析或試驗(yàn)表明，其遭受輪胎碎片、低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片或其它可能的碎片打穿或造成變形的程度已降至最低”。

該條款對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊僅給出了一個(gè)原則性要求，即油箱口蓋遭受低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊后需防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度。關(guān)于低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片的質(zhì)量、速度、幾何形狀、材料、沖擊角度、沖擊姿態(tài)、影響口蓋范圍及結(jié)構(gòu)合格判據(jù)的量化指標(biāo)均沒有給出，這給具體型號(hào)飛機(jī)的適航取證工作帶來困難。

1.2 FAR25 部

FAR25 對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的要求與CCAR25 部內(nèi)容是一致的，但是它以咨詢通告AC25.963-1、AC20-128A 對(duì)條款內(nèi)容進(jìn)行了解釋[11-12]。咨詢通告中規(guī)定了低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片的影響范圍：口蓋位于發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇前15°范圍內(nèi)，從旋轉(zhuǎn)中心測量。測量旋轉(zhuǎn)中心時(shí)，從最后面渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的15°范圍內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 FAR 相關(guān)文件規(guī)定碎片拋射范圍Fig.1 Debris spreading area stipulated by FAR files

1.3 CS25 部

CS25-AMC25.963 中規(guī)定了碎片沖擊的影響范圍，如圖2 所示。碎片的類型、尺寸、速度、撞擊角度等。同時(shí)給出了油箱口蓋量化的合格判據(jù)：燃油不允許連續(xù)流出（running leak）或滴漏（dripping leak）；允許滲漏，但15 min 內(nèi)滲漏打濕壁板外表面的尺度小于15.2 cm。

圖2 CS 相關(guān)文件規(guī)定碎片拋射范圍Fig.2 Debris spreading area stipulated by CS files

1.4 規(guī)章對(duì)比分析

CCAR25、FAR25 和CS25 部及對(duì)應(yīng)的咨詢通告對(duì)碎片沖擊的對(duì)比分析見表1。

表1 CCAR25, FAR25 和CS25 條款對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of CCAR25, FAR25 and CS25

2 適航符合性驗(yàn)證流程

油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊適航符合性驗(yàn)證工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及沖擊動(dòng)力學(xué)專業(yè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)、總體布置專業(yè)、四性專業(yè)和動(dòng)力裝置等多個(gè)專業(yè)，各專業(yè)之間相互影響，因此制定合適的適航驗(yàn)證思路是完成該項(xiàng)內(nèi)容的關(guān)鍵[16-18]。參考CCAR25、FAR25、CS25 及咨詢通告，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子特性和機(jī)翼油箱口蓋布置情況[19-20]，制定如下適航驗(yàn)證思路（流程見圖3）。

1）首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子布置情況，建立低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沿發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的站位模型；

2）根據(jù)低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片站位模型建立碎片±15°影響范圍的錐體模型；

3）將低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片±15°影響范圍錐體模型與機(jī)翼油箱口蓋結(jié)構(gòu)數(shù)模耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時(shí)碎片撞擊角度為90°；

4）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)碎片站位模型建立碎片-15°至-45°影響范圍的錐體模型；

5）將低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片-15°至-45°影響范圍錐體模型與機(jī)翼油箱口蓋模型耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時(shí)碎片撞擊角度為碎片初始位置與油箱口蓋的真實(shí)夾角；

6）參考CS25-AMC25.963 建立碎片等效模型，制定碎片沖擊邊界條件和油箱口蓋適航符合性合格判據(jù)；

7）針對(duì)不同范圍內(nèi)（±15°、-15°至-45°）的油箱口蓋開展不同角度的碎片沖擊動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算；

8）根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果制定適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)矩陣，開展適航驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法；

圖3 碎片沖擊適航驗(yàn)證流程Fig.3 Airworthiness certification flow of debris impact

9）油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊適航符合性結(jié)論。

3 碎片沖擊分析與試驗(yàn)

3.1 碎片模型

參考文件 CS25-AMC25.963[15]和發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供的碎片資料，本文低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片模型采用邊長為9.5 mm 的立方體模擬，材料選用高強(qiáng)度鋼。有限元建模時(shí)，相對(duì)于機(jī)體薄壁采用shell 單元模型，碎片模型需采用solid 單元模擬，如圖4 所示。

圖4 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片有限元模型Fig.4 Finite element model for engine debris

3.2 口蓋有限元模型及計(jì)算分析

油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊仿真分析采用大型商用動(dòng)力學(xué)分析軟件PAM-CRASH 進(jìn)行。油箱口蓋通常為薄壁結(jié)構(gòu)，有限元建模時(shí)通常采用shell單元模擬，單元特征尺寸2～3 mm（單元尺寸一般需要試驗(yàn)驗(yàn)證），模型如圖5 所示。

油箱口蓋抗碎片沖擊仿真計(jì)算工況需考慮撞擊角度，各種典型位置，同一位置還需要考慮碎片的各種撞擊姿態(tài)（邊、面和角）。圖6 是一種邊撞擊的典型計(jì)算結(jié)果，油箱口蓋發(fā)生破損。

圖5 油箱口蓋有限元模型Fig.5 FE model for fuel tank cover

圖6 油箱口蓋碎片沖擊有限元計(jì)算結(jié)果Fig.6 FEM calculation result of fuel tank cover withstanding debris

3.3 油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)

油箱口蓋抗發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊試驗(yàn)原理如圖7 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)生系統(tǒng)、激光測速系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)組成。碎片速度由氣罐壓力大小來控制，試驗(yàn)前需將碎片目標(biāo)速度與壓力大小進(jìn)行標(biāo)定。

圖7 碎片沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.7 Sketch of debris impact test system

油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)矩陣規(guī)劃需要考慮油箱口蓋典型位置、碎片沖擊姿態(tài)（邊、面和角，見圖8）以及重復(fù)性（一般取3 次）三方面因素。圖9 為開展的油箱口蓋的碎片沖擊試驗(yàn)7 個(gè)撞擊點(diǎn)說明，圖10 為7 次試驗(yàn)的結(jié)果，表2 為7 次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)情況。

圖8 碎片沖擊姿態(tài)示意Fig.8 Debris impact attitude: a) attitude surface;b) attitude side; c) attitude angle

圖9 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊位置說明Fig.9 Impact location for engine debris

圖10 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Engine debris impact test result

7 次試驗(yàn)中，IC1、IC5、IC6 和IC7 均為邊撞擊，結(jié)構(gòu)損傷相似，破損大小稍有差異，試驗(yàn)分散性相對(duì)較小。IC2、IC3 和IC4 均為角撞擊，結(jié)構(gòu)損傷有較大差異，IC2 損傷為明顯的孔洞破損，而IC3 和IC4 損傷為輕微的裂痕，試驗(yàn)分散性相對(duì)稍大。同時(shí)將不同的撞擊姿態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，邊撞擊比角撞擊略微嚴(yán)酷。

表2 油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Debris impact test result for fuel tank cover

3.4 仿真計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

3.2 小節(jié)的仿真計(jì)算工況與3.3 小節(jié)的典型試驗(yàn)工況IC1、IC5、IC6 和IC7 是一致的，仿真和試驗(yàn)均表明口蓋外表面會(huì)產(chǎn)生破損，不能滿足25.963-e-1 的要求，仿真分析基本能預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果，能夠指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要說明的是仿真結(jié)果具有唯一性，試驗(yàn)結(jié)果具有分散性，仿真結(jié)果無法體現(xiàn)IC1、IC5、IC6 和IC7試驗(yàn)結(jié)果中結(jié)構(gòu)損傷的細(xì)微差別。仿真分析對(duì)適航符合性驗(yàn)證僅能提供支持，無法充分驗(yàn)證。充分的驗(yàn)證需通過重復(fù)性試驗(yàn)獲取。

3.5 設(shè)計(jì)更改及仿真計(jì)算

根據(jù)3.2 小節(jié)中的仿真結(jié)果和3.3 小節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果可知，該油箱口蓋遭受碎片沖擊時(shí)破損，不滿足CCAR25.963-e-1 規(guī)定的防止燃油流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度的要求，需進(jìn)行更改完善。通過研究計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)口蓋表面產(chǎn)生不同程度的破損，而條款對(duì)口蓋提出了密封性要求，單純?cè)黾涌谏w厚度會(huì)帶來較大的質(zhì)量代價(jià)，因此想到了雙層設(shè)計(jì)的更改思路，即在原有口蓋的內(nèi)側(cè)增加一層鋁板。應(yīng)用第3.4 小節(jié)中與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比過的分析模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)更改仿真評(píng)估，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，口蓋外表面發(fā)生破損，內(nèi)側(cè)鋁板發(fā)生塑性變形，沒有單元?jiǎng)h除，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 油箱口蓋更改后碎片沖擊有限元計(jì)算結(jié)果Fig.11 FEM calculation result of fuel tank cover withstanding debris impact after redesign

4 結(jié)論

1）該仿真分析方法基本能預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果，可指導(dǎo)油箱口蓋抗沖擊設(shè)計(jì)。

2）油箱口蓋通常為薄壁結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)通常很難滿足抗低能量碎片沖擊防燃油泄漏要求（如果滿足需要較高的質(zhì)量代價(jià)），建議采用雙層的設(shè)計(jì)思想。外層采用抗沖擊為主設(shè)計(jì)，內(nèi)層采用防燃油泄漏為主設(shè)計(jì)。

3）碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)構(gòu)損傷具有一定的分散性，而仿真分析具有唯一性，仿真不能充分驗(yàn)證結(jié)構(gòu)適航符合性，建議采用試驗(yàn)為主、仿真分析支持的驗(yàn)證方法。

本文對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片進(jìn)行了初步研究，后續(xù)可開展以下研究：

1）由于碎片模型為立方體，其在飛行過程中由于無翼型且非回轉(zhuǎn)體，穩(wěn)定性較差，沖擊瞬間姿態(tài)（邊、面、角）不易控制，建議開展姿態(tài)穩(wěn)定性研究；

2）油箱口蓋只是油箱的一小部分，從飛機(jī)整體安全性考慮，還需開展油箱壁板的符合性驗(yàn)證工作。