■ 師永寧 段宇星 趙苗苗 / 中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所

隨著民航業(yè)的發(fā)展，商用飛機(jī)動力裝置的性能不斷提高、國產(chǎn)化需求日益突出，動力裝置安裝系統(tǒng)用橡膠材料研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立，對國產(chǎn)橡膠材料的適航及標(biāo)準(zhǔn)化具有指導(dǎo)意義。

飛機(jī)的動力裝置一般指飛機(jī)發(fā)動機(jī)以及保證飛機(jī)發(fā)動機(jī)正常工作所必需的系統(tǒng)和附件，此外還包括輔助動力裝置（APU）。動力裝置安裝系統(tǒng)的核心功能元件一般由高性能阻尼橡膠材料制成，橡膠材料具有超彈性與黏彈性特征，同時也對溫度、頻率及振幅較為敏感。

美國、俄羅斯等國在投入精力研發(fā)新型橡膠材料及工藝技術(shù)的同時，已經(jīng)積累了大量橡膠材料在飛機(jī)動力裝置上的應(yīng)用數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，開展了可靠性分析與使用壽命評定研究工作[1]。隨著國內(nèi)發(fā)動機(jī)減振技術(shù)及國產(chǎn)化高性能橡膠材料的快速發(fā)展，材料標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)凸顯出越來越重要的作用。雖然，在橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上已構(gòu)建了相關(guān)體系，但仍存在通用合成橡膠具有相對完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，高端領(lǐng)域使用的橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)體系研究匱乏、采標(biāo)和修訂滯后等現(xiàn)象。為更好地推進(jìn)我國飛機(jī)動力裝置安裝系統(tǒng)及其領(lǐng)域用國產(chǎn)材料的技術(shù)發(fā)展，研究橡膠材料的標(biāo)準(zhǔn)并建立材料標(biāo)準(zhǔn)體系成為亟待著手的工作。

材料的適航審定要求

材料是構(gòu)成動力裝置的物質(zhì)基礎(chǔ)，需要建立完善的材料標(biāo)準(zhǔn)來保證材料性能的穩(wěn)定性和適用性。材料標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)體系的重要組成部分，既是設(shè)計制造的指導(dǎo)文件，又是性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)保證，也是適航審定的重要依據(jù)。

各航空器的適航規(guī)章都對材料提出了直接審定要求?！逗娇瞻l(fā)動機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33）材料專用條款第33.15條提出，發(fā)動機(jī)所用材料的適用性和耐久性必須滿足：建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；符合經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)范（工業(yè)或者軍用規(guī)范），保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強(qiáng)度和其他性能。中國民用航空局適航審定司編制的《航空器型號合格審定程序》（AP-21-AA—2011-03-R4）中也將材料作為適航制造符合性檢查時應(yīng)考慮的重點，并規(guī)定：在制造過程中使用的原材料是否與型號資料相符合；是否有證據(jù)能夠保證原材料的化學(xué)和物理特性得到確定和檢查；是否有文件性證據(jù)表明從原材料到原型零件的可追溯性；是否有對不符合提交的型號資料要求的任何零件或工藝過程的偏離記錄。

適航審定時材料的具體選用規(guī)則包括：選用的材料應(yīng)有足夠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，即成熟材料已積累一定數(shù)量批次的性能數(shù)據(jù)；選用的材料應(yīng)有正式標(biāo)準(zhǔn)，材料標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)經(jīng)過適航管理機(jī)構(gòu)或其他權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可，對于美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）直接接受的行業(yè)材料標(biāo)準(zhǔn)，在說明適用性的前提下，可提供材料數(shù)據(jù)作為符合性證據(jù)，如美國汽車工程師協(xié)會（SAE）的宇航材料規(guī)范（AMS），對于國內(nèi)行業(yè)材料標(biāo)準(zhǔn)，需表明用于材料標(biāo)準(zhǔn)建立的生產(chǎn)處于穩(wěn)定和設(shè)計值滿足適航要求，如航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HB），國家軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB）等；設(shè)計適用的材料性能數(shù)據(jù)應(yīng)在制定手冊中選用[2-3]。

在進(jìn)行適航審定時，橡膠材料需要按照適航規(guī)定與審定程序進(jìn)行。一般推薦選用經(jīng)過適航管理機(jī)構(gòu)或其他權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的材料標(biāo)準(zhǔn)，如AMS。但是，國內(nèi)很難獲取到符合AMS 的橡膠材料原材料，國產(chǎn)橡膠產(chǎn)品一般采用國產(chǎn)橡膠原材料進(jìn)行加工，產(chǎn)品若需進(jìn)行適航審定時，一般應(yīng)自行建立橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4-5]。

總體而言，材料適航審定的要求是通過材料標(biāo)準(zhǔn)和性能數(shù)據(jù)來審查。材料標(biāo)準(zhǔn)由能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能全面控制的代表性項目構(gòu)成，指標(biāo)由多個批次數(shù)據(jù)基于統(tǒng)計方法生成。材料、材料標(biāo)準(zhǔn)、材料性能數(shù)據(jù)三者缺一不可。

飛機(jī)動力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境的特點

動力裝置在飛機(jī)中的安裝環(huán)境屬于惡劣環(huán)境，具有典型的大傳載、強(qiáng)振動、高低溫特點，同時也有濕熱、鹽霧、霉菌、酸性大氣、沙塵、防火等環(huán)境適應(yīng)性要求。

大傳載、強(qiáng)振動、高低溫、防火性安裝環(huán)境

在功能上動力裝置安裝系統(tǒng)屬于減振與力傳遞系統(tǒng)，應(yīng)滿足飛機(jī)在各種工況下產(chǎn)生振動時仍正常工作，在全生命周期內(nèi)不因經(jīng)受長期振動而出現(xiàn)故障。在應(yīng)急著陸情況下應(yīng)不破損和脫落危及乘員的安全，不使任何撤離設(shè)施失效并影響乘員撤離，不會穿透油箱、管路或損壞相鄰系統(tǒng)而引發(fā)火災(zāi)或傷害性的爆炸，在墜撞安全試驗條件中保證安裝系統(tǒng)的連接可靠性[6]。同時，安裝系統(tǒng)區(qū)域?qū)儆诨饏^(qū)，是飛機(jī)安全的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)具有一定的防火性能，系統(tǒng)應(yīng)在承受不低于1100℃的火焰環(huán)境后仍能滿足必要的力學(xué)支撐功能，必要時橡膠材料應(yīng)具有不易燃及自熄的特性。

動力裝置在飛機(jī)中的安裝環(huán)境屬于高溫區(qū)，即飛機(jī)飛行過程中受局部高溫環(huán)境影響的區(qū)域，溫度高于71℃，包括動力裝置鄰近高溫區(qū)、短艙部位等。一般要求溫度范圍在-55 ～120℃，短時誘發(fā)高溫可達(dá)200 ～250℃。同時，由于此環(huán)境為非氣密區(qū)，動力裝置安裝系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)在-73℃飛行環(huán)境條件下短時間持續(xù)使用，還應(yīng)能保證在溫度沖擊環(huán)境后可以正常工作，并具有低氣壓和高溫、高濕二者循環(huán)作用的環(huán)境適應(yīng)能力。

其他通用機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性要求

動力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)具有典型的機(jī)載設(shè)備耐濕熱、鹽霧、霉菌、酸性大氣的要求。包括在高溫和高濕環(huán)境下的適應(yīng)性，在黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉和短柄皺霉等典型菌種環(huán)境下的適應(yīng)性，以及在標(biāo)準(zhǔn)的中性或者酸性鹽霧下的適應(yīng)性。

在飛行、維護(hù)和停機(jī)等大部分狀態(tài)下，動力裝置環(huán)境都不會直接受到雨水沖擊，但可能由于機(jī)體非氣密艙上部結(jié)構(gòu)密封失效或冷凝產(chǎn)生滴水情況，因此安裝系統(tǒng)環(huán)境還應(yīng)具有滿足滴水條件下正常工作的要求。

動力裝置安裝系統(tǒng)不屬于暴露在飛機(jī)機(jī)艙外的機(jī)載設(shè)備，但仍需要在起飛和著陸階段暴露于外部沙塵環(huán)境下，以及在地面使用/維護(hù)時也可能暴露于沙塵環(huán)境中工作。

橡膠材料性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立

飛機(jī)動力裝置安裝系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜，對橡膠材料的性能提出了苛刻的指標(biāo)要求，針對這種特殊環(huán)境下的橡膠材料，材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立十分重要。一般而言，航空橡膠材料性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中應(yīng)包含材料的基本性能、功能性能、環(huán)境適應(yīng)性性能、熱老化性能、疲勞性能等。而動力裝置安裝系統(tǒng)適用的橡膠材料是一種阻尼功能材料，還需要對材料的阻尼性能指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范。

基本性能規(guī)范的建立

橡膠材料的基本性能包括5項核心指標(biāo)，即材料硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度與壓縮永久變形。對基本性能的測試已經(jīng)擁有成熟的測試標(biāo)準(zhǔn)體系，在適航審定過程中，一般采用美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境適應(yīng)性性能規(guī)范的建立

依據(jù)動力裝置安裝系統(tǒng)所處環(huán)境，橡膠制品的環(huán)境適應(yīng)性性能應(yīng)對振動、噪聲、沖擊、墜撞、高溫、低溫、高度、鹽霧、濕熱、霉菌、沙塵、結(jié)冰、流體等多重環(huán)境進(jìn)行考核。在適航審定時，橡膠材料的耐高溫性能可依據(jù)ASTM D573進(jìn)行，測試其在高溫環(huán)境中的性能變化；耐低溫性能可依據(jù)ASTM D2137進(jìn)行，測試其在低溫下是否發(fā)生脆性變化，保證橡膠制品在低溫環(huán)境下的使用安全；耐液體性能可依據(jù)ASTM D471進(jìn)行，測試其在不同液體環(huán)境中材料的溶脹率或性能變化；鹽霧、濕熱、霉菌等其他性能一般可依據(jù)RTCA/DO-160進(jìn)行測試。

阻尼性能規(guī)范的建立

動力裝置安裝系統(tǒng)中橡膠材料主要用于振動控制及減振降噪，其功能性能即為阻尼性能指標(biāo)。阻尼性能的測定沒有廣泛認(rèn)可的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，航空工業(yè)強(qiáng)度所制定了《硫化橡膠或熱塑性橡膠阻尼性能的測定》（ASRIC/QS 029—2023）標(biāo)準(zhǔn)，熱動態(tài)機(jī)械分析儀（DMA）可用于動力裝置安裝系統(tǒng)中橡膠材料的阻尼性能的測定，并給出具體的試驗件規(guī)格，試驗條件及合格判據(jù)。針對動力裝置安裝系統(tǒng)的橡膠材料，可按照上述試驗方法測試性能指標(biāo)，并進(jìn)行材料特性試驗，多批次驗證指標(biāo)的穩(wěn)定性與可靠性，依據(jù)統(tǒng)計方法確定出橡膠材料科學(xué)合理的性能指標(biāo)值。

橡膠材料壽命標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立

隨著航空航天和尖端軍事裝備研發(fā)領(lǐng)域?qū)恿ρb置安裝系統(tǒng)橡膠產(chǎn)品可靠性的要求越來越高，橡膠壽命的定量評定方法研究已成為橡膠應(yīng)用研究中的一個重要內(nèi)容。橡膠產(chǎn)品的壽命不僅有類似于金屬產(chǎn)品的疲勞壽命指標(biāo)，還有老化壽命指標(biāo)。

老化壽命機(jī)理

橡膠產(chǎn)品常因受熱、空氣中的氧和臭氧、陽光、風(fēng)、雨、雪、水分，以及使用過程各種機(jī)械應(yīng)力作用或化學(xué)溶劑的侵蝕，使得化學(xué)結(jié)構(gòu)受到破壞，變得疲軟或硬脆龜裂、表面粗糙、力學(xué)性能下降，隨時間推移逐漸喪失使用價值。動力裝置安裝系統(tǒng)所使用的橡膠材料一般很少受到陽光直射以及雨雪的覆蓋，絕大部分是受到熱氧老化侵蝕導(dǎo)致安裝節(jié)失效。因此，可通過橡膠材料的熱空氣老化性能來表征橡膠材料的老化壽命。熱空氣加速老化壽命試驗是一項較為通用成熟的老化壽命測試方法，其原理為基于阿累尼烏斯（Arrhenius）公式進(jìn)行外推計算的方法。

航空工業(yè)強(qiáng)度所研發(fā)的航空橡膠材料已通過了多項加速老化壽命測試分析，并形成基于熱加速老化模型的航空阻尼硅橡膠儲存壽命分析軟件，橡膠材料壽命可達(dá)15年以上。

疲勞壽命曲線及產(chǎn)品壽命推算方法的建立

目前，橡膠材料的疲勞壽命并沒有成熟通用的測定與考核方法。當(dāng)前可用的驗證方法主要包括基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的裂紋萌生疲勞壽命分析方法與基于斷裂力學(xué)理論的裂紋擴(kuò)展壽命分析方法。

前者由于標(biāo)量形式的疲勞預(yù)測因子無法準(zhǔn)確評估復(fù)雜加載條件下橡膠材料內(nèi)部真實的損傷狀況和裂紋萌生情況，僅對單軸加載方式和簡單幅值周期性載荷條件下的橡膠構(gòu)件疲勞試驗結(jié)果有較好的預(yù)測性，在多軸、變幅載荷加載條件下，壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性常和試驗結(jié)果有較大差異，預(yù)測出的疲勞危險區(qū)域位置和實際情況也會出現(xiàn)較大偏差，因此預(yù)測橡膠材料的疲勞壽命存在很大的局限性。

斷裂力學(xué)的概念最先由格里菲斯在1920年首次提出，格里菲斯在研究金屬疲勞問題時提出：缺口固體的機(jī)械能與裂紋表面能滿足能量守恒定律；裂紋擴(kuò)展是儲存在變形固體內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換到新的裂紋表面的過程?；跀嗔蚜W(xué)的方法建立的能量平衡方程是基于整個固體而言的，不需要裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場信息，這種方法被廣泛用于聚合物材料的疲勞問題研究中。里夫林和托馬斯將格里菲斯的方法應(yīng)用于橡膠材料撕裂問題的研究中，他們發(fā)現(xiàn)橡膠材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率由每單位裂紋面積內(nèi)的應(yīng)變能變化量唯一確定，這一變化量被稱為材料的撕裂能（tearing energy）或能量釋放率（energy release rate）。

在進(jìn)行橡膠材料測試時，可通過試驗測定得出橡膠材料的最大撕裂能、疲勞裂紋擴(kuò)展等參數(shù)，分析計算給出橡膠材料的疲勞壽命圖譜，即材料應(yīng)變-壽命曲線。

基于橡膠材料應(yīng)變-壽命曲線，即可對動力裝置安裝節(jié)及整個安裝系統(tǒng)進(jìn)行壽命分析，給出其理論疲勞壽命，輔以產(chǎn)品/系統(tǒng)疲勞試驗校核，最終得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品疲勞壽命。

結(jié)束語

當(dāng)前，國外航空動力裝置安裝系統(tǒng)采用的AMS橡膠標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展成熟，且經(jīng)過多型號適航審定，標(biāo)準(zhǔn)體系完整性、內(nèi)容全面性和產(chǎn)品適用性都已得到驗證，而動力裝置安裝系統(tǒng)適用的國產(chǎn)橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)較少且大多沒有經(jīng)過適航審定，材料規(guī)范的制定仍處于探索階段，材料沒有統(tǒng)一且通用的適航驗證方法。研究動力裝置安裝系統(tǒng)橡膠材料適航規(guī)范的建立方法，對國產(chǎn)橡膠材料的標(biāo)準(zhǔn)化具有指導(dǎo)意義。