劉秦智王 哲

（1. 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2. 中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089）

民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)技術(shù)要求研究

劉秦智1王 哲2

（1. 中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2. 中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089）

針對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命防腐蝕密封和增壓艙失壓密封要求，從設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)要求、密封型式、密封材料等技術(shù)要求進(jìn)行了研究，總結(jié)了典型結(jié)構(gòu)密封方法要求，并對(duì)密封材料的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)情況進(jìn)行了說明，可供有關(guān)人員參考。

密封；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)驗(yàn)證

密封失效會(huì)危及飛機(jī)和乘員安全，密封不好產(chǎn)生腐蝕會(huì)降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度與使用壽命，增加維修工作量與費(fèi)用，影響飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性與戰(zhàn)備出勤率，甚至?xí)＜帮w機(jī)的使用安全性與可靠性，飛機(jī)高空失壓和密封不好造成腐蝕的現(xiàn)象在軍用、民用飛機(jī)中時(shí)有發(fā)生。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器飛行高度及飛行速度的增大給飛機(jī)設(shè)備及機(jī)上人員工作帶來不利影響。為了保證飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境舒服，現(xiàn)代飛機(jī)特別是民用飛機(jī)均采用增壓座艙，即利用環(huán)境控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)座艙壓力、溫度及濕度等。增壓座艙要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，避免在飛行中出現(xiàn)失壓情況，將會(huì)釀成嚴(yán)重事故。另外，民用飛機(jī)壽命越來越高，有的飛機(jī)要求9萬飛行小時(shí)，十分注重腐蝕防護(hù)，而腐蝕防護(hù)最主要的措施就是結(jié)構(gòu)密封，防止腐蝕介質(zhì)的浸入或進(jìn)行不同材料隔離。

1 結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)要求

結(jié)構(gòu)密封就是采用合理的結(jié)構(gòu)形式，利用密封材料堵塞結(jié)構(gòu)上的滲漏渠道，阻止壓力的泄漏、水氣或腐蝕介質(zhì)的滲入，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)氣密和防止腐蝕的目的。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采取不同的密封方法，并考慮多種密封的綜合運(yùn)用。結(jié)構(gòu)密封主要包括增壓區(qū)密封，防腐蝕密封，油箱艙密封，特設(shè)、雷達(dá)、液壓艙密封，高溫防火墻密封，氣動(dòng)整流密封，電氣密封，其它密封（包括熱防冰密封、金屬與非金屬結(jié)構(gòu)密封、某些非結(jié)構(gòu)零件的膠接密封等）等。

1.1 增壓區(qū)密封

增壓機(jī)身泄漏源廣布于氣密線上，主要包括連接件孔和連接螺母，氣密線上的構(gòu)件對(duì)/搭接縫和轉(zhuǎn)角、拐角，玻璃安裝，增壓艙區(qū)的艙門、口蓋等縫隙，通過氣密線上的各系統(tǒng)件（如電纜、導(dǎo)管、機(jī)構(gòu)件、燈座、天線和設(shè)備）等，應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式采取不同的密封方法，如氣密區(qū)內(nèi)的蒙皮與框剪切片、長(zhǎng)桁連接處，應(yīng)采用填角密封；壁板的縱向搭接、對(duì)接處，應(yīng)進(jìn)行貼合面、填角密封；對(duì)于壁板的橫向?qū)犹帲瑧?yīng)進(jìn)行貼合面密封；對(duì)于縱、橫向?qū)p交叉處，應(yīng)進(jìn)行貼合面、填角密封；對(duì)于承受氣密載荷的框、地板，鉚釘放置方向應(yīng)為釘頭在承壓區(qū)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行填角密封。

1.2 防腐蝕密封

防腐蝕密封，包括合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)拿芊獠牧线x擇、正確的密封工藝及密封質(zhì)量控制，設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮，嚴(yán)格要求，防止造成滲漏或滲漏隱患。

密封部位的確定應(yīng)有利于密封，應(yīng)使可能滲漏的孔洞數(shù)量盡量減少，使可能滲漏的縫隙、厚度盡量小，其長(zhǎng)度盡量大；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮鄰近零件的密封施工操作的空間限制，保證密封部位有可達(dá)性；設(shè)計(jì)的密封區(qū)應(yīng)有足夠的剛度，避免密封材料在過度撓曲和循環(huán)受力變形中脫膠、開裂、造成密封失效產(chǎn)生滲漏。

處于腐蝕環(huán)境的接縫應(yīng)密封，所有位于外部或內(nèi)部腐蝕環(huán)境中的接縫，包括起落架艙、附件艙、外表面口蓋和整流結(jié)構(gòu)等，均應(yīng)用密封劑密封，可拆卸的檢查口蓋，應(yīng)預(yù)制密封墊口蓋密封。確定緊固件的數(shù)量和間距，應(yīng)依據(jù)口蓋、口框剛度，剛度大間距可大，剛度小則適當(dāng)增加緊固件數(shù)量，以保證相鄰緊固件制件口蓋同口框密切結(jié)合，具體數(shù)量，必要時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

穿過機(jī)體外露的零件應(yīng)密封連接，所有穿過蒙皮通向機(jī)外的附件，如天線、拉桿、導(dǎo)管、電纜等，應(yīng)對(duì)連接縫和緊固件進(jìn)行可靠的密封。

設(shè)計(jì)分離面、蒙皮接縫及緊固件應(yīng)可靠密封，飛機(jī)上的設(shè)計(jì)分離面，如前、后機(jī)身分離處，應(yīng)進(jìn)行密封；蒙皮的接縫，特別是機(jī)體上表面、側(cè)面和其他可能滲水的接縫，應(yīng)嵌縫或填角密封；緊固件應(yīng)濕法密封裝配，例如先在埋頭窩表面或釘孔柱面上涂施密封劑或涂料。

電子設(shè)備干燥密封，電子設(shè)備和儀表應(yīng)在徹底干燥后，進(jìn)行氣密裝配，保證內(nèi)部封閉，形成不凝露，不引起局部腐蝕的環(huán)境。

1.3 密封形式

結(jié)構(gòu)密封主要有以下3種形式。

1.3.1 機(jī)械密封

氣密區(qū)域的緊固件，如一般鉚釘、高鎖螺栓、高抗剪釘均采用干涉配合（除非有鈦、鋁或鋼、混合夾層地方采用過渡配合），為了保證高的鉚接質(zhì)量及氣密質(zhì)量，盡量采用自動(dòng)壓鉚機(jī)鉚接，如長(zhǎng)桁和蒙皮的連接鉚釘、環(huán)槽鉚釘、高抗剪鉚釘與孔配合對(duì)鋁合金夾層均采用過盈配合，但對(duì)于混合材料（如鋁與鈦、鋼）夾層考慮采用過渡配合，這是為了減少應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度，以便更好地提高其密封性。

1.3.2 密封膠密封

對(duì)氣密結(jié)構(gòu)規(guī)定區(qū)域（如蒙皮對(duì)縫、氣密線上加強(qiáng)墊板等處）進(jìn)行縫內(nèi)或縫外涂密封膠。利用密封膠密封，是用常溫固化膠液充填縫隙、漏氣通道，阻斷漏氣路線來實(shí)現(xiàn)氣密。密封方式主要有：貼合面密封（縫內(nèi)密封），零件貼合面為漏氣通道，在面與面之間施加密封膠的方法。對(duì)于剛度大、形面復(fù)雜的貼合面，應(yīng)有較好的配合狀態(tài)，否則影響密封性能。填角密封，適用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部有階差的構(gòu)件邊緣。空穴直徑不大于9.5mm可采用充填密封。

1.3.3 密封件

密封件包括O形環(huán)、U形環(huán)、密封型材、氣密帶、密封墊圈和密封墊片。主要用于大的漏氣源部位，如門、窗等各類開口部位，使用這種密封形式范圍大而可靠。這些密封件的有效性取決于作用在密封表面的壓力的連續(xù)性。應(yīng)注意：密封零件間的分離和翹曲不應(yīng)超過任一點(diǎn)上“密封線”的密封件的擴(kuò)展能力；承受密封件壓力的表面應(yīng)足夠平整和光滑，以便得到可靠的密封；密封件應(yīng)被固定，以防止扭轉(zhuǎn)緊固件或接頭時(shí)，產(chǎn)生任何運(yùn)動(dòng)。機(jī)械密封和填角密封可以結(jié)合使用。如果更換密封件會(huì)破壞填角密封，這種方法就不實(shí)用。如果自密封螺母用于連接，那么緊固件應(yīng)是一級(jí)配合或更好的配合。

1.4 密封設(shè)計(jì)航標(biāo)的編制

鑒于目前GJB 3815-1999《飛機(jī)氣密艙設(shè)計(jì)要求》、GJB 5431-2005《飛機(jī)結(jié)構(gòu)防水和排水設(shè)計(jì)要求》、HB 7671-2000《飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)要求》、HB 7495-1997《民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)通用要求》，對(duì)民機(jī)結(jié)構(gòu)密封要求太少并且不全面，尤其適航符合性方面幾乎空白，尚無一套有效、合理的指導(dǎo)性文件用于民用飛機(jī)型號(hào)研制中結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)。我國目前雖然經(jīng)過多個(gè)型號(hào)的研制，在設(shè)計(jì)手段上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但沒有系統(tǒng)性地對(duì)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)和提升。而國外在結(jié)構(gòu)密封方面的設(shè)計(jì)手冊(cè)較多，如波音公司《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，種類齊全的工藝材料規(guī)范（如ZPS、ZMS）等。

2 新型密封材料環(huán)境適應(yīng)性研究

2.1 密封材料篩選

密封材料主要應(yīng)用部位有風(fēng)擋窗戶區(qū)域、口框區(qū)域、結(jié)構(gòu)縫隙、盥洗室區(qū)域等。典型非金屬密封件如艙門密封橡膠帶、防腐蝕和氣密的密封劑等。選擇性能優(yōu)良、重量輕的密封材料須經(jīng)過環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證和適航部門批準(zhǔn)，國內(nèi)關(guān)于密封材料環(huán)境適應(yīng)性方面的研究較少，環(huán)境譜的編制更是空白。

通過調(diào)研機(jī)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，掌握機(jī)場(chǎng)外部自然環(huán)境，結(jié)合以前飛機(jī)腐蝕損傷關(guān)鍵部位與外部環(huán)境之間的關(guān)系，分析關(guān)鍵部位局部環(huán)境的腐蝕因素。參考國外經(jīng)過驗(yàn)證的行之有效的加速試驗(yàn)環(huán)境譜，綜合考慮造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕/失效的各種環(huán)境因素，選取主要環(huán)境因素制定加速試驗(yàn)環(huán)境譜，并組合為可實(shí)施的、具有模擬性的加速試驗(yàn)環(huán)境譜。

通過適當(dāng)?shù)漠?dāng)量關(guān)系確定方法來確定各環(huán)境譜塊的參數(shù)，確定非金屬密封件加速試驗(yàn)環(huán)境譜實(shí)施的具體試驗(yàn)條件，使環(huán)境譜同時(shí)具備“加速性”和“再現(xiàn)性”。

2.2 密封材料環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估方法研究

密封材料在分別經(jīng)過溫濕、熱沖擊、鹽霧、紫外照射、低溫疲勞及自然暴曬等試驗(yàn)之后，測(cè)試其性能變化情況。主要測(cè)試方法有：

失重法：計(jì)算樣品在試驗(yàn)后的累積重量變化，紫外暴曬與周期浸潤(rùn)聯(lián)合試驗(yàn)每個(gè)循環(huán)后樣品的重量變化量。

失光率：紫外暴曬與周期浸潤(rùn)聯(lián)合試驗(yàn)每個(gè)循環(huán)后樣品的光澤度變化量。

力學(xué)性能測(cè)試：使用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

表面形貌觀察：使用金相顯微鏡、變焦體視顯微鏡及照相機(jī)觀察試驗(yàn)前后樣品的表面形貌變化。

3 典型結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)如機(jī)身氣密座艙和機(jī)翼整體油箱一些部位的密封，是為了預(yù)防氣體或燃油通過很多小縫隙的通道逸出，這些小縫隙存在于結(jié)構(gòu)中各連接處，對(duì)這些縫隙通過涂敷密封劑實(shí)現(xiàn)密封。

3.1 氣動(dòng)表面

與氣動(dòng)表面有關(guān)結(jié)構(gòu)如外表蒙皮、天線、信號(hào)燈等。外表蒙皮對(duì)接時(shí)應(yīng)留有設(shè)計(jì)所確定的縫寬2mm～2.5mm進(jìn)行防腐蝕密封，搭接時(shí)應(yīng)進(jìn)行填角密封。天線與外蒙皮連接時(shí)應(yīng)防腐蝕密封，機(jī)翼翼根與機(jī)身連接處外蒙包皮整流，防雨水滲入應(yīng)進(jìn)行防腐蝕密封，機(jī)身、機(jī)翼上信號(hào)燈、照明燈、防雷裝置等與外蒙皮連接時(shí)整流防腐蝕密封。

蒙皮搭接應(yīng)密封鉚接，蒙皮應(yīng)按順氣流方向，由前搭后、由上搭下，在搭接寬度的貼合面間涂有高粘接力密封劑密封鉚接。然后在蒙皮邊角處進(jìn)行填角密封及鉚釘鐓頭涂稀的密封劑密封防護(hù)。

蒙皮對(duì)接應(yīng)密封鉚接，為確保蒙皮對(duì)縫密封鉚接的可靠，在蒙皮對(duì)縫連接寬度區(qū)內(nèi)面增加連接帶板，并在貼合面間涂有高粘接力密封劑密封鉚接；蒙皮對(duì)縫間隙中應(yīng)采用密封劑填充密封，在蒙皮邊角也應(yīng)填角密封，鉚釘鐓頭涂稀的密封劑密封防護(hù)。對(duì)于機(jī)身外表面的對(duì)接、搭接縫，可涂摻鋁密封膠，使表面光滑。

3.2 連接件

連接件密封設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求：

所謂連接件密封是靠釘孔與釘桿之間適當(dāng)?shù)倪^盈量，阻止空氣的泄漏來達(dá)到密封目的，屬于一種機(jī)械密封方式；

對(duì)于夾層中為鋼—鋁或鈦—鋁混合夾層不允許緊固件與孔為過盈量配合及大于二級(jí)精度的螺栓配合，為了保證密封性，可采用蘸膠濕安裝；

對(duì)位于氣密線上可拆卸的口蓋、整流包皮的連接件的螺母，為了保證其氣密，必須選用密封的桶形螺母或密封的托板螺母；

氣密線上的自封性緊固件的選用。在滿足氣動(dòng)要求情況下，盡可能選用凸頭緊固件，以利于密封和強(qiáng)度要求。對(duì)于所選用的埋頭緊固件，注意避免锪埋頭窩蒙皮或板件被锪穿；

所有穿過密封面的緊固件要通過金屬膨脹即干涉緊固件或密封劑進(jìn)行密封。除非同意使用自封密封緊固件，所有緊固件都用填角密封。每一個(gè)緊固件在滲漏的情況下，應(yīng)能進(jìn)行檢修。

3.3 口蓋、口框

在各種使用情況下，口蓋、口框的密封材料應(yīng)處于均勻彈性壓縮狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：

密封材料應(yīng)有較好的彈性壓縮性能，壓力取消后，應(yīng)有較好的恢復(fù)能力?？谏w周邊與口框接合面應(yīng)用耐蝕橡膠墊、管、帶、密封劑等進(jìn)行安裝；

口蓋邊緣和口框應(yīng)具有一定的剛度，使密封材料能得到均勻的壓縮量；

口框區(qū)域密封，應(yīng)進(jìn)行貼合面、填角密封。對(duì)于機(jī)身和機(jī)翼上表面的口蓋，由于經(jīng)常拆卸，為了防止漏入雨水，在口蓋與口框間應(yīng)采用密封劑實(shí)現(xiàn)密封；

氣密艙開口周圍所有構(gòu)件之間，包括接頭在內(nèi)應(yīng)涂寬約25.4mm的密封劑；

螺釘間距要保證密封壓縮量均勻。

3.4 地板

應(yīng)采用具體的設(shè)計(jì)措施，以防水分滲漏到下機(jī)身區(qū)內(nèi)，艙底的水分是導(dǎo)致民用飛機(jī)腐蝕的比較嚴(yán)重的問題之一。

主客艙廚房、廁所和登機(jī)門地板密封，整個(gè)區(qū)域上放聚脂膜，在整個(gè)尼龍繩邊緣間隙內(nèi)涂密封劑，用密封劑濕安裝螺釘?shù)取?/p>

客艙和貨艙地板密封，在整個(gè)尼龍繩邊緣間隙內(nèi)涂密封劑，用密封劑濕安裝螺釘?shù)取?/p>

3.5 整體油箱

整體油箱主結(jié)構(gòu)件前后梁、端肋與蒙皮連接處，長(zhǎng)桁與上下壁的連接應(yīng)按防腐蝕密封設(shè)計(jì)。整體油箱可卸壁板按口蓋類密封。整體油箱內(nèi)表面應(yīng)采用保護(hù)密封體系，如油箱壁板等零部件陽極化后應(yīng)先噴涂聚氨酯底漆，油箱組裝后為防止整體油箱內(nèi)的密封劑在燃油及霉菌腐蝕變質(zhì)過早出現(xiàn)失效，應(yīng)采用表面保護(hù)密封涂料作最后刷涂或灌涂防腐蝕密封。

整體油箱應(yīng)設(shè)置檢查維修通道，以便維修與施加密封劑，口蓋應(yīng)易于拆裝。

采用油箱內(nèi)壁面涂層系統(tǒng)，如內(nèi)表面涂覆涂料及防霉密封劑控制油箱腐蝕。

3.6 蜂窩及膠接結(jié)構(gòu)

蜂窩件邊部應(yīng)進(jìn)行防腐蝕密封，蜂窩件對(duì)接時(shí)應(yīng)先作表涂處理后填入耐水密封劑，蜂窩芯與面板膠接處應(yīng)用阻蝕型密封劑進(jìn)行填角密封，蜂窩芯邊部應(yīng)采用耐水、高粘接力密封劑。穿過膠接蜂窩件的連接件應(yīng)濕態(tài)裝配，保證密封要求。金屬膠接后應(yīng)用阻蝕型密封劑進(jìn)行填角密封，板與板之間應(yīng)涂緩蝕黏結(jié)底膠，應(yīng)用阻蝕型密封劑進(jìn)行貼合面密封。

3.7 艙門、艙蓋及窗玻璃

艙門、艙蓋及窗玻璃的密封主要采用橡膠型材密封件，在有可能產(chǎn)生泄漏的通路上設(shè)置這些密封件。

對(duì)于駕駛艙的風(fēng)擋及通風(fēng)窗玻璃，由于型面和協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，往往又采用注膠、壓模修平、膠帶襯墊的綜合密封。

艙門開口外露部分的蒙皮、口框、帶板等，在第一排緊固件連接處應(yīng)采用密封劑封口鉚接。

對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)式的艙門，空腔部位應(yīng)設(shè)有通氣、排水孔，如無法排水，通氣時(shí)應(yīng)采用密封鉚接或空腔內(nèi)充填聚脂泡沫。

安裝在窗口帶狀加強(qiáng)件上所有構(gòu)件，應(yīng)涂寬約25.4mm的密封劑作貼合密封。

3.8 起落架艙

飛機(jī)起飛或著陸時(shí)，起落架艙中接受大量引起腐蝕的因素（如地面水、沙、塵、輪胎摩擦生成的二氧化硫等），收起后封閉的輪胎艙內(nèi)仍為腐蝕性因素（如二氧化硫、水及濕氣等）。所有的結(jié)構(gòu)結(jié)合面應(yīng)進(jìn)行防腐蝕密封。

3.9 隔熱結(jié)構(gòu)

由隔熱氈隔熱時(shí)，飛機(jī)機(jī)身蒙皮內(nèi)側(cè)下陷處在貼氈前，應(yīng)采用高溫密封劑進(jìn)行防腐蝕密封。在溫度超過121℃，而不超過180℃的區(qū)域，使用聚硫代醚密封劑或聚硫密封劑，超過180℃時(shí)使用有機(jī)硅密封劑密封。

3.10 穿越氣密線系統(tǒng)件

電纜通過孔采用密封接頭或包扎膠充填密封，導(dǎo)管通過孔采用法蘭盤固定充填密封，拉桿、機(jī)構(gòu)件等采用橡膠氣密接頭密封。當(dāng)為可拆卸件密封,應(yīng)用低粘接力密封劑，電器零件防潮密封應(yīng)用有機(jī)硅、聚氨脂或硫化類絕緣密封劑。

3.11 整流包皮

防雨水滲入腐蝕，可拆卸整流包皮與機(jī)體貼合面上應(yīng)貼有密封膠墊，并適當(dāng)增加緊固件數(shù)量，使整流包皮緊密貼合在機(jī)體上；

不可拆卸的整流包皮與機(jī)體接合面上應(yīng)涂密封劑進(jìn)行防漏水密封鉚接；

整流包皮尖角部位應(yīng)用密封劑填角密封。

4 結(jié)束語

民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)是飛機(jī)增壓艙密封功能實(shí)現(xiàn)和長(zhǎng)壽命保證重要環(huán)節(jié)，將密封設(shè)計(jì)原則、密封措施、以及典型結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)方法等固化，形成HB 8395-2013《民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)密封設(shè)計(jì)通用要求》，規(guī)范設(shè)計(jì)，提高密封效果，減輕密封所需結(jié)構(gòu)重量，滿足適航要求。

（編輯：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2017）01-0015-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.01.004

2016-07-08