何思，劉存喜

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安　710089)

運(yùn)輸類飛機(jī)風(fēng)擋抗鳥撞適航符合性驗(yàn)證方法

何思，劉存喜

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安710089)

摘要：每年全球鳥撞飛機(jī)事件頻發(fā)，將鳥撞損傷對(duì)飛行安全帶來(lái)的影響減至最小一直是不斷追求的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中與風(fēng)擋鳥撞密切相關(guān)的適航要求進(jìn)行解讀與分析，并基于某民用飛機(jī)型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)說(shuō)明了如何將鳥撞適航要求融入飛機(jī)風(fēng)擋設(shè)計(jì)階段中，總結(jié)了一套可操作的滿足運(yùn)輸類飛機(jī)適航要求的風(fēng)擋抗鳥撞驗(yàn)證方法，為新研MA700客機(jī)風(fēng)擋鳥撞的符合性驗(yàn)證提供了參考。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸類飛機(jī)；適航；風(fēng)擋；鳥撞；符合性驗(yàn)證

0引言

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷改善，全球每年發(fā)生多起飛鳥撞擊飛機(jī)的事故。近年來(lái)，我國(guó)的鳥撞事故呈明顯遞增勢(shì)態(tài)，2013年中國(guó)民航共統(tǒng)計(jì)的鳥撞事故3 124起，較上年增長(zhǎng)20.02%，占事故征候總數(shù)的57.97%，因鳥撞造成的經(jīng)濟(jì)損失約合人民幣9 672萬(wàn)元[1]。鳥撞事件屢見不鮮，將鳥撞損傷對(duì)飛行安全帶來(lái)的影響減至最小一直是不斷追求的目標(biāo)[2]。傳統(tǒng)鳥撞的驗(yàn)證流程為計(jì)算-試驗(yàn)-再計(jì)算-再試驗(yàn)。國(guó)外對(duì)于風(fēng)擋鳥撞有著成熟的分析軟件和試驗(yàn)技術(shù)，且分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相匹配，試驗(yàn)通過(guò)率高，能夠有效支持其風(fēng)擋的設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證[3-4]。然而國(guó)內(nèi)運(yùn)輸類飛機(jī)由于起步較晚，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)不足，鳥撞的軟件分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較差[5]，導(dǎo)致試驗(yàn)循環(huán)反復(fù)，周期長(zhǎng)且花費(fèi)巨大，給民機(jī)型號(hào)鳥撞的驗(yàn)證工作帶來(lái)了困難。

隨著國(guó)內(nèi)新研的MA700客機(jī)風(fēng)擋鳥撞設(shè)計(jì)工作的開展，為了滿足CCAR 25部的條款要求，盡可能避免在驗(yàn)證過(guò)程中走彎路，本文通過(guò)對(duì)某民用飛機(jī)的鳥撞驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程，提出一套滿足條款要求的具有可操作性的風(fēng)擋鳥撞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法，為MA700飛機(jī)的鳥撞適航性驗(yàn)證工作提供參考。

1適航條款要求

CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》[6]中，與風(fēng)擋鳥撞相關(guān)的適航條款為25.775(b)和25.775(c)條。

(1) CCAR 25.775(b)條專門就鳥撞問題對(duì)風(fēng)擋玻璃及其支承結(jié)構(gòu)提出要求。安裝在駕駛員前面用來(lái)保護(hù)駕駛員的風(fēng)擋玻璃及其支承結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受飛機(jī)速度等于按照CCAR 25.335(a)選定的海平面Vc值時(shí)與1.8 kg(4 lb)重的鳥的撞擊。撞擊后，不允許有影響飛機(jī)操作的結(jié)構(gòu)破壞，即因玻璃或塑料零件破碎、結(jié)構(gòu)元件破裂而傷害駕駛員和其他乘員或引起艙內(nèi)襯板撕掉進(jìn)而影響正常工作都是不允許的。

(2) CCAR 25.775(c)條指出某些要害部位的玻璃在不能保證風(fēng)擋及其支承結(jié)構(gòu)受到鳥撞還能保持完整性的情況下，必須有措施將風(fēng)擋玻璃飛散碎片傷害駕駛員的危險(xiǎn)減至最小。必須通過(guò)分析或鳥撞試驗(yàn)證明風(fēng)擋玻璃受到鳥撞時(shí)破碎是極不可能的，否則必須有措施保護(hù)駕駛員不受玻璃碎片的傷害。該條中列出了三種安裝情況的玻璃：位于飛機(jī)正面的；對(duì)飛機(jī)縱軸傾斜15°或更大的；其某一部分的位置會(huì)導(dǎo)致碎片傷害駕駛員的。上述情況在發(fā)生鳥撞時(shí)，玻璃碎片都有可能傷害駕駛員[7-9]。

2某民用飛機(jī)風(fēng)擋抗鳥撞案例

2.1風(fēng)擋玻璃結(jié)構(gòu)

某民用飛機(jī)主風(fēng)擋和通風(fēng)窗均為五層層合結(jié)構(gòu)。主風(fēng)擋沿厚度方向分布如圖1所示。其中第1、3、5層為鋼化玻璃層，第2、4層為中間層粘接材料，第6部分為風(fēng)擋的橡膠包邊。通風(fēng)窗玻璃結(jié)構(gòu)與主風(fēng)擋類似。

圖1　主風(fēng)擋玻璃結(jié)構(gòu)

2.2鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析

按照CCAR 25.775(b)條要求，鳥體質(zhì)量為1.8 kg(4 lb)，結(jié)合飛機(jī)的設(shè)計(jì)速度包線，確定風(fēng)擋鳥撞速度為151 m/s(293節(jié))。以該飛機(jī)主風(fēng)擋為例，風(fēng)擋及窗框的有限元模型如圖2所示。

圖2　主風(fēng)擋鳥撞有限元模型

參照已經(jīng)完成的鳥撞研發(fā)試驗(yàn)，選取包括主風(fēng)擋頂部前拐角處和風(fēng)擋玻璃中心在內(nèi)的共計(jì)5個(gè)位置進(jìn)行鳥撞分析，并與研發(fā)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，表明動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)及改進(jìn)。

綜上所述：每個(gè)位置鳥撞之后，主風(fēng)擋的外層玻璃均出現(xiàn)破壞，但中間層及內(nèi)層玻璃最大應(yīng)力均在其材料極限應(yīng)力以內(nèi)；有三個(gè)位置的支撐部件均出現(xiàn)了不同程度的破壞，因此需要對(duì)主風(fēng)擋的支撐部件進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后重新進(jìn)行分析，結(jié)果表明該民用飛機(jī)主風(fēng)擋能夠承受1.8 kg鳥體、151 m/s速度的撞擊，還需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3鳥撞試驗(yàn)

某民用飛機(jī)的鳥撞驗(yàn)證試驗(yàn)按照ASTM-F330標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法在國(guó)外進(jìn)行。

參考空客、波音和其他飛機(jī)的駕駛艙風(fēng)擋玻璃鳥撞試驗(yàn)：加溫狀態(tài)下最不利的情況是對(duì)玻璃中心的撞擊，冷卻狀態(tài)下最不利的情況是對(duì)玻璃拐角處的撞擊。故試驗(yàn)選取四處鳥撞部位進(jìn)行試驗(yàn)，在主風(fēng)擋、通風(fēng)窗每塊窗玻璃上進(jìn)行一次撞擊試驗(yàn)。同時(shí)試驗(yàn)增加CCAR 25.775(d)條款中要求的“溫度對(duì)玻璃聯(lián)合作用的影響”作為試驗(yàn)條件之一，并在試驗(yàn)前采用電加熱毯或充有液氮的制冷箱覆蓋在窗戶外表面來(lái)對(duì)玻璃進(jìn)行加溫或降溫，從而達(dá)到試驗(yàn)所需溫度。

(1) 試驗(yàn)判據(jù)

①不允許鳥穿透玻璃進(jìn)入駕駛艙?？梢越邮艿默F(xiàn)象是：當(dāng)撞擊時(shí)由于結(jié)構(gòu)變形，少量鳥的血肉從縫隙流入駕駛艙，不會(huì)對(duì)飛行員造成傷害。

②沒有因玻璃散落而造成的危險(xiǎn)。即外層玻璃可以被撞壞，但是第3層和第5層兩個(gè)結(jié)構(gòu)層中至少要有一層保持完整，以確保飛機(jī)能緊急著陸，并且玻璃不能在駕駛艙內(nèi)發(fā)生散裂。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果

①左側(cè)、右側(cè)主風(fēng)擋和右側(cè)通風(fēng)窗在試驗(yàn)中沒有鳥肉滲入，玻璃和結(jié)構(gòu)均完好，通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

②左側(cè)通風(fēng)窗外層成放射狀碎裂，但玻璃兩個(gè)結(jié)構(gòu)層均完好，試驗(yàn)中有少許鳥肉進(jìn)入駕駛艙，但不會(huì)對(duì)飛行員造成傷害，且結(jié)構(gòu)部件和運(yùn)動(dòng)功能未受可見的影響，滿足試驗(yàn)成功的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了鳥撞試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)后的照片如圖3所示。

圖3　左側(cè)通風(fēng)窗(從駕駛艙內(nèi)看)

3風(fēng)擋抗鳥撞適航性驗(yàn)證方法

某民用飛機(jī)是嚴(yán)格按照CCAR 25部進(jìn)行設(shè)計(jì)的民用客機(jī)，但其最初的動(dòng)響應(yīng)分析模型與研發(fā)試驗(yàn)結(jié)果并不一致，不能有效地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，使得其鳥撞適航驗(yàn)證工作進(jìn)展緩慢?；谠撁裼蔑w機(jī)風(fēng)擋鳥撞適航驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)出一套完整的抗鳥撞設(shè)計(jì)及適航符合性驗(yàn)證流程。

鳥撞適航性要求的目的是保證飛機(jī)遭受鳥撞后能夠繼續(xù)安全飛行和著陸[10]。驗(yàn)證的總體思路是采用動(dòng)響應(yīng)分析與鳥撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法。

3.1適用的符合性方法

在初步設(shè)計(jì)方案確定之后，需按照適用的適航條款要求，確定相應(yīng)的符合性驗(yàn)證方法，建議CCAR25.775(b)和CCAR25.775(c)都選擇的符合性方法(Means of Compliance，簡(jiǎn)稱MoC)包括MoC0、MoC1、MoC2和MoC4。

MoC0：符合性聲明。若飛機(jī)的風(fēng)擋設(shè)計(jì)與已取得型號(hào)合格證的飛機(jī)相似，可采用說(shuō)明性文件進(jìn)行類比表明符合性，不進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證(例如A320系列機(jī)型)。

MoC1：說(shuō)明性文件。包含風(fēng)擋設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)方案、符合性說(shuō)明報(bào)告等。

MoC2：分析/計(jì)算。包括風(fēng)擋鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析和/或支撐結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度分析。

MoC4：試驗(yàn)室試驗(yàn)[11]。

3.2鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析

在完成結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)之后，對(duì)風(fēng)擋玻璃及窗框結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)響應(yīng)分析。

鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析方法包括基于能量的半經(jīng)驗(yàn)工程方法(能量法)和有限元方法。早期型號(hào)上應(yīng)用較多的是能量法，但是由于該方法未考慮鳥體與飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致分析結(jié)果通常精度不高且偏保守。有限元方法考慮了鳥體與飛機(jī)結(jié)構(gòu)間的耦合效應(yīng)，并已在新研型號(hào)(例如A380和B787)上成功應(yīng)用且逐漸趨于成熟，分析結(jié)果精度相比于能量法有很大的提高，鳥撞試驗(yàn)的次數(shù)明顯減少[12]。綜上所述，飛機(jī)鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析建議采用有限元方法。

鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析主要包括建模、確定風(fēng)擋鳥體質(zhì)量與鳥撞速度、模型驗(yàn)證、選擇撞擊點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)響應(yīng)分析、篩選鳥撞薄弱部位、結(jié)構(gòu)安全分析。

3.2.1建模

建立鳥撞結(jié)構(gòu)有限元模型，真實(shí)模擬鳥撞區(qū)域結(jié)構(gòu)的自身剛度、支持剛度及連接剛度。對(duì)于鳥體模型，由于鳥體與結(jié)構(gòu)撞擊時(shí)通常會(huì)表現(xiàn)出流體特性，通常假設(shè)為理想不可壓縮的流體單元(目前主要采用膠囊型)。

3.2.2確定風(fēng)擋鳥體質(zhì)量與鳥撞速度

按照CCAR 25.775(b)條要求，鳥體質(zhì)量為1.8 kg(4 lb)，結(jié)合飛機(jī)的設(shè)計(jì)速度包線，確定風(fēng)擋鳥撞速度。

3.2.3模型驗(yàn)證

目前國(guó)內(nèi)鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果還不能很好地吻合，原因是鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析屬于結(jié)構(gòu)高速加載后大變形和大應(yīng)變的非線性沖擊動(dòng)力學(xué)，影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的因素較多，其中鳥撞分析模型的準(zhǔn)確度、材料非線性狀態(tài)參數(shù)的選取、鳥撞速度等因素對(duì)動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果影響較大。因此，需對(duì)動(dòng)響應(yīng)分析模型進(jìn)行研發(fā)性試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證鳥體與風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系、鳥體模型的合理性、連接件的模擬及風(fēng)擋結(jié)構(gòu)材料的非線性狀態(tài)參數(shù)選取的準(zhǔn)確性與合理性等。

根據(jù)研發(fā)性試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果的對(duì)比情況，對(duì)分析模型進(jìn)行修正迭代，直至試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果趨于吻合，以確認(rèn)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)模型、鳥體模型及材料模型的準(zhǔn)確性。

3.2.4選擇撞擊點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)響應(yīng)分析

風(fēng)擋上的撞擊點(diǎn)應(yīng)考慮風(fēng)擋、支撐骨架及連接情況，撞擊點(diǎn)應(yīng)從下列五點(diǎn)選擇[13]：①結(jié)構(gòu)剛度最大點(diǎn)；②結(jié)構(gòu)剛度最小點(diǎn)；③最大變形點(diǎn)；④有代表性的邊緣點(diǎn)；⑤風(fēng)擋中心。具體撞擊點(diǎn)位置的選擇可參考類似機(jī)型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

3.2.5篩選鳥撞薄弱部位

根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的鳥撞分析結(jié)果，依照其變形/損壞情況，從鳥撞分析點(diǎn)中篩選出薄弱點(diǎn)，作為鳥撞試驗(yàn)驗(yàn)證選點(diǎn)。

3.2.6結(jié)構(gòu)安全分析

依據(jù)鳥撞動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果，若鳥撞對(duì)風(fēng)擋支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，則需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析。

(1) 如果支承結(jié)構(gòu)僅僅變形，沒有出現(xiàn)裂紋或破壞，應(yīng)通過(guò)分析/計(jì)算表明變形后的結(jié)構(gòu)能滿足靜強(qiáng)度載荷工況要求；

(2) 如果支承結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或損壞，將破壞部位結(jié)構(gòu)元件設(shè)為虛元，對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析，如果剩余強(qiáng)度滿足載荷要求，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的，否則需更改支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然條款原文要求支承結(jié)構(gòu)承受鳥撞后不被擊穿即可，但通常設(shè)計(jì)方要求更高，不允許此種情況出現(xiàn)。

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證

(1) 根據(jù)風(fēng)擋鳥撞點(diǎn)的分布情況及風(fēng)擋鳥撞適航性要求，編制試驗(yàn)任務(wù)書和試驗(yàn)大綱，并在其中給出試驗(yàn)合格判據(jù)：風(fēng)擋及其支承結(jié)構(gòu)不允許被擊穿；且為了滿足CCAR 25.775(c)條要求，除非證明風(fēng)擋玻璃受到鳥撞時(shí)破碎是極不可能的，否則必須有措施保護(hù)駕駛員不受玻璃碎片的傷害。

(2) 然后根據(jù)動(dòng)響應(yīng)分析中得出的鳥撞驗(yàn)證試驗(yàn)選點(diǎn)，開展鳥撞試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)件的安裝應(yīng)盡可能地模擬結(jié)構(gòu)支持剛度及連接情況，通常情況下會(huì)采用真實(shí)機(jī)頭機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)束后依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果編寫試驗(yàn)報(bào)告并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

若鳥撞理論分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不符，以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。若試驗(yàn)結(jié)果不滿足試驗(yàn)判據(jù)要求，則需查找原因(若為設(shè)計(jì)原因，需改進(jìn)風(fēng)擋設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行分析和試驗(yàn)；若為制造、安裝等其他問題，需改進(jìn)后重新進(jìn)行試驗(yàn))。

風(fēng)擋抗鳥撞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程如圖4所示。

圖4　風(fēng)擋抗鳥撞驗(yàn)證流程

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)風(fēng)擋鳥撞適航條款CCAR 25.775(b)和25.775(c)條進(jìn)行分析，結(jié)合某民用飛機(jī)鳥撞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，提出了滿足條款要求的具有可操作性的風(fēng)擋鳥撞設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。該方法適用于民用運(yùn)輸類飛機(jī)，也可擴(kuò)展應(yīng)用到軍用運(yùn)輸類飛機(jī)上。

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A Verification Method of Bird-strike Resistance Airworthiness for Transport Category Airplane’s Windshield

He Si, Liu Cunxi

(The First Aircraft Design and Research Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

Abstract:Global bird-strike to aircraft is frequent every year, minimizing the impact on flight safety leaded by bird-impact damage is always pursued. Based on the deep understanding and analysis of the windshield bird-strike airworthiness requirements described in CCAR-25-R4 Transport Category Airplane Airworthiness Standards, as well as the engineering experience in a specific civil aircraft type, a detailed description of satisfying bird-strike airworthiness requirements in windshield design process is given. Finally, a set of feasible windshield resistance of bird-strike verification methods which satisfies the corresponding requirements is summarized, and a suggestion about the substantiation of MA700, a new airplane, is given.

Key words:transport category airplane; airworthiness; windshield; bird-strike; verification

收稿日期：2016-02-24；修回日期：2016-03-10

通信作者：何思,yukikaze115@163.com

文章編號(hào):1674-8190(2016)02-186-05

中圖分類號(hào)：V271.2; V328

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.02.008

作者簡(jiǎn)介：

何思(1984-)，女，工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)、材料適航技術(shù)。

劉存喜(1965-)，男，研究員。主要研究方向：飛機(jī)適航技術(shù)、管理。

(編輯：趙毓梅)