孔令勇，陸佳南，吳志斌

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

雖然航空渦輪發(fā)動機和APU 制造商努力降低轉子非包容性損壞的概率，但服役經驗表明非包容性壓氣機和渦輪轉子的破壞仍然存在[1-2]。渦輪發(fā)動機故障導致高速運動的轉子碎片穿透附近的結構、油箱口蓋、機翼下壁板、機身、系統(tǒng)設備、管路、EWIS線纜和其他安裝在飛機上的動力裝置[3-9]。關于APU，盡管到目前發(fā)生的轉子非包容性故障僅對飛機造成輕微的影響，但轉子破壞所產生的碎片仍需引起關注[10]。既然轉子的非包容性失效不可能完全消除，CCAR25 部要求對飛機設計必須采取預防措施，最大程度降低此類事件帶來的傷害[1]。因此，民用飛機油箱口蓋設計必須考慮低能量發(fā)動機碎片沖擊影響。

CCAR25.963-e-1 條款要求，運輸類飛機油箱口蓋必須能承受住低能量發(fā)動機碎片、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到危險程度。適航規(guī)章對油箱口蓋抗外來物碎片沖擊僅規(guī)定了一個原則性的要求，即沖擊后防止燃油的流失量達到的危險程度，而對碎片的形狀尺寸、質量、撞擊速度和撞擊角度均沒有說明。這是影響民用飛機抗碎片沖擊適航取證的一個技術難題，亟需解決。

本文對油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片進行了研究，而輪胎碎片及其他可能的碎片的沖擊另單獨研究。首先研究了碎片沖擊的規(guī)章、咨詢通告、相似飛機設計資料、論文以及國內外技術專家交流報告，制定了碎片符合性驗證思路、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對比研究，提出了油箱口蓋雙層防護的抗碎片沖擊設計思想，以及各層的設計要點，供相似飛機設計參考使用。

1 條款研究

本文對CCAR25、FAR25、CS25 及相關的咨詢通告[11-15]進行了研究，找到相同點和不同點，給出了差異對比分析，同時給出了油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊的適航符合性驗證思路。

1.1 CCAR25 部

CCAR25 部對油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊的要求條款為25.963-e-1，涉及的相關內容摘取如下：“油箱口蓋必須滿足下述準則，以防止燃油的流失量達到危險程度”，“位于經驗或分析表明很可能遭受撞擊的區(qū)域內的所有口蓋，必須通過分析或試驗表明，其遭受輪胎碎片、低能量發(fā)動機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”。

該條款對油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊僅給出了一個原則性要求，即油箱口蓋遭受低能量發(fā)動機碎片沖擊后需防止燃油的流失量達到危險程度。關于低能量發(fā)動機碎片的質量、速度、幾何形狀、材料、沖擊角度、沖擊姿態(tài)、影響口蓋范圍及結構合格判據(jù)的量化指標均沒有給出，這給具體型號飛機的適航取證工作帶來困難。

1.2 FAR25 部

FAR25 對油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊的要求與CCAR25 部內容是一致的，但是它以咨詢通告AC25.963-1、AC20-128A 對條款內容進行了解釋[11-12]。咨詢通告中規(guī)定了低能量發(fā)動機碎片的影響范圍：口蓋位于發(fā)動機或風扇前15°范圍內，從旋轉中心測量。測量旋轉中心時，從最后面渦輪發(fā)動機的15°范圍內，如圖1 所示。

圖1 FAR 相關文件規(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 內滲漏打濕壁板外表面的尺度小于15.2 cm。

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

1.4 規(guī)章對比分析

CCAR25、FAR25 和CS25 部及對應的咨詢通告對碎片沖擊的對比分析見表1。

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

2 適航符合性驗證流程

油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊適航符合性驗證工作是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及沖擊動力學專業(yè)、結構設計專業(yè)、總體布置專業(yè)、四性專業(yè)和動力裝置等多個專業(yè)，各專業(yè)之間相互影響，因此制定合適的適航驗證思路是完成該項內容的關鍵[16-18]。參考CCAR25、FAR25、CS25 及咨詢通告，依據(jù)發(fā)動機各級轉子特性和機翼油箱口蓋布置情況[19-20]，制定如下適航驗證思路（流程見圖3）。

1）首先根據(jù)發(fā)動機各級轉子布置情況，建立低能量發(fā)動機碎片沿發(fā)動機轉軸的站位模型；

2）根據(jù)低能量發(fā)動機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)動機碎片±15°影響范圍錐體模型與機翼油箱口蓋結構數(shù)模耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時碎片撞擊角度為90°；

4）根據(jù)發(fā)動機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)動機碎片-15°至-45°影響范圍錐體模型與機翼油箱口蓋模型耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時碎片撞擊角度為碎片初始位置與油箱口蓋的真實夾角；

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）針對不同范圍內（±15°、-15°至-45°）的油箱口蓋開展不同角度的碎片沖擊動力學仿真計算；

8）根據(jù)仿真計算結果制定適航符合性驗證試驗矩陣，開展適航驗證試驗，同時驗證沖擊動力學分析方法；

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

9）油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊適航符合性結論。

3 碎片沖擊分析與試驗

3.1 碎片模型

參考文件 CS25-AMC25.963[15]和發(fā)動機供應商提供的碎片資料，本文低能量發(fā)動機碎片模型采用邊長為9.5 mm 的立方體模擬，材料選用高強度鋼。有限元建模時，相對于機體薄壁采用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)動機碎片有限元模型Fig.4 Finite element model for engine debris

3.2 口蓋有限元模型及計算分析

油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片沖擊仿真分析采用大型商用動力學分析軟件PAM-CRASH 進行。油箱口蓋通常為薄壁結構，有限元建模時通常采用shell單元模擬，單元特征尺寸2～3 mm（單元尺寸一般需要試驗驗證），模型如圖5 所示。

油箱口蓋抗碎片沖擊仿真計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算結果，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算結果Fig.6 FEM calculation result of fuel tank cover withstanding debris

3.3 油箱口蓋碎片沖擊試驗

油箱口蓋抗發(fā)動機碎片沖擊試驗原理如圖7 所示。試驗系統(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，試驗前需將碎片目標速度與壓力大小進行標定。

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

油箱口蓋碎片沖擊試驗矩陣規(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7 個撞擊點說明，圖10 為7 次試驗的結果，表2 為7 次試驗的統(tǒng)計情況。

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)動機碎片沖擊位置說明Fig.9 Impact location for engine debris

圖10 低能量發(fā)動機碎片沖擊試驗結果Fig.10 Engine debris impact test result

7 次試驗中，IC1、IC5、IC6 和IC7 均為邊撞擊，結構損傷相似，破損大小稍有差異，試驗分散性相對較小。IC2、IC3 和IC4 均為角撞擊，結構損傷有較大差異，IC2 損傷為明顯的孔洞破損，而IC3 和IC4 損傷為輕微的裂痕，試驗分散性相對稍大。同時將不同的撞擊姿態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，邊撞擊比角撞擊略微嚴酷。

表2 油箱口蓋碎片沖擊試驗結果Tab.2 Debris impact test result for fuel tank cover

3.4 仿真計算與試驗對比

3.2 小節(jié)的仿真計算工況與3.3 小節(jié)的典型試驗工況IC1、IC5、IC6 和IC7 是一致的，仿真和試驗均表明口蓋外表面會產生破損，不能滿足25.963-e-1 的要求，仿真分析基本能預測試驗結果，能夠指導結構設計。需要說明的是仿真結果具有唯一性，試驗結果具有分散性，仿真結果無法體現(xiàn)IC1、IC5、IC6 和IC7試驗結果中結構損傷的細微差別。仿真分析對適航符合性驗證僅能提供支持，無法充分驗證。充分的驗證需通過重復性試驗獲取。

3.5 設計更改及仿真計算

根據(jù)3.2 小節(jié)中的仿真結果和3.3 小節(jié)中的試驗結果可知，該油箱口蓋遭受碎片沖擊時破損，不滿足CCAR25.963-e-1 規(guī)定的防止燃油流失量達到危險程度的要求，需進行更改完善。通過研究計算結果和試驗結果，發(fā)現(xiàn)口蓋表面產生不同程度的破損，而條款對口蓋提出了密封性要求，單純增加口蓋厚度會帶來較大的質量代價，因此想到了雙層設計的更改思路，即在原有口蓋的內側增加一層鋁板。應用第3.4 小節(jié)中與試驗結果對比過的分析模型進行了結構更改仿真評估，計算結果如圖11 所示。由圖11 可知，口蓋外表面發(fā)生破損，內側鋁板發(fā)生塑性變形，沒有單元刪除，滿足設計要求。

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

4 結論

1）該仿真分析方法基本能預測試驗結果，可指導油箱口蓋抗沖擊設計。

2）油箱口蓋通常為薄壁結構，單層結構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量代價），建議采用雙層的設計思想。外層采用抗沖擊為主設計，內層采用防燃油泄漏為主設計。

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

本文對油箱口蓋抗低能量發(fā)動機碎片進行了初步研究，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，從飛機整體安全性考慮，還需開展油箱壁板的符合性驗證工作。