張昭 隋立軍 孫有朝 邱弢 馬健

摘要：為確保飛機的運行適應(yīng)性及乘客舒適度，現(xiàn)代民用運輸類飛機通常安裝有客艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以確保座艙壓力、內(nèi)外壓差和艙內(nèi)壓力變化率在規(guī)定的范圍內(nèi)。因此，在飛行過程中客艙存在內(nèi)外壓差，增壓艙段承受內(nèi)壓載荷，增壓艙段實際上是一個低壓薄壁壓力容器。本文從增壓艙結(jié)構(gòu)變形與受力出發(fā)，以中國民用航空規(guī)章為依據(jù)，梳理了涉及增壓艙強度的相關(guān)條款要求，并結(jié)合某型飛機的設(shè)計與符合性驗證工作，提出了增壓艙強度驗證的審查重點及風(fēng)險點，為民用飛機增壓艙設(shè)計及驗證工作提供參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：增壓艙強度；薄壁壓力容器；結(jié)構(gòu)完整性；符合性驗證；民用飛機

中圖分類號：V223+.3文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.009

基金項目：工信部民用飛機專項科研技術(shù)研究項目（MJ-2018-G-55）

因客艙在飛行過程中存在內(nèi)外壓差，增壓艙段承受內(nèi)壓載荷，增壓艙段實際上是一個低壓薄壁壓力容器。國內(nèi)外基于增壓艙的設(shè)計特征開展了大量的分析[1-6]、試驗研究[7-8]工作，特別是對增壓艙突然泄壓情況[9-13]提出了一系列理論分析方法，形成了一系列研究成果。

本文首先從增壓艙結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了增壓艙結(jié)構(gòu)的基本變形及受力特征。其次，以中國民用航空規(guī)章為依據(jù)，梳理了涉及增壓艙強度的相關(guān)條款要求，給出了對應(yīng)的符合性驗證方法及內(nèi)容，用以支持民用飛機增壓艙強度的符合性驗證。最后，結(jié)合某型民用飛機設(shè)計與驗證，提出了增壓艙強度驗證的適航審查重點及風(fēng)險點，為后續(xù)民用飛機增壓艙設(shè)計、驗證及審查提供了參考與指導(dǎo)。

1增壓艙結(jié)構(gòu)變形與受力分析

現(xiàn)代民用飛機機身結(jié)構(gòu)通常是半硬殼式薄壁結(jié)構(gòu)，增壓艙一般半徑較大、蒙皮厚度較薄。飛機總體設(shè)計時，由于需要綜合考慮客艙布局、起落架布置、機翼布置等因素，因此增壓艙截面一般不是正圓。增壓艙截面通常有兩種形式[14]，一種是上大下小的倒八字形；另一種是上小下大的梨形。

機身增壓艙在承受內(nèi)壓時，蒙皮結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，并產(chǎn)生軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。蒙皮作為薄壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)無力矩薄殼理論[15]，當(dāng)薄壁結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于薄壁殼體半徑時，承受壓力載荷的薄壁殼體內(nèi)力矩很小，可忽略不計。因此，殼體類似薄膜受力，無彎矩和彎曲應(yīng)力，只存在沿壁厚均勻分布的薄膜應(yīng)力。取蒙皮一段微元ds，其受力如圖1所示。

圖1中，p是承受的均布壓力，其方向沿著微元的法向n，ρ是ds微元的曲率半徑，σc是微元的環(huán)向應(yīng)力，其方向為切向，dθ是ds微元對應(yīng)的角度。容易看出，因微元ds無切向外力，因此在切向合力ΣFτ是自動平衡的。在法向上，其合力ΣFn平衡方程為：

可以看到，環(huán)向應(yīng)力σc是軸向應(yīng)力σl的兩倍。

對于上大下小的倒八字形，或是上小下大的梨形的機身增壓艙截面，其承受法向的均布壓力時，截面形狀都將趨于圓形，具體如圖2所示。

因機身增壓艙是由兩段以上曲率半徑不同的圓弧組成，等曲率圓弧段蒙皮環(huán)向應(yīng)力為定值。在曲率發(fā)生變化處，環(huán)向應(yīng)力將不連續(xù)，甚至出現(xiàn)反向應(yīng)力，并帶來附加的二次彎矩，產(chǎn)生局部復(fù)雜受力狀態(tài)，如圖3所示。

根據(jù)以上分析，可以看出機身增壓艙的受力情況比較復(fù)雜，特別是機身環(huán)向應(yīng)力在截面曲率半徑變化處存在不連續(xù)，產(chǎn)生了附加二次彎矩，給增壓艙靜強度及疲勞強度都帶來了一定的影響。

2增壓艙強度條款要求

《中國民用航空規(guī)章》第25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》[17]中涉及到增壓艙強度的條款主要有CCAR-25.365、CCAR-25.843（a）等條款。CCAR-25.365“增壓艙載荷”的內(nèi)容適用于有一個或一個以上增壓艙的飛機：

（a）款內(nèi)容要求飛機結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度來承受飛行載荷和由零到釋壓活門最大調(diào)定值的壓差載荷的組合作用。

（b）款內(nèi)容要求必須計及在飛行中的外部壓力分布以及應(yīng)力集中和疲勞影響。

（c）款內(nèi)容要求如允許機艙帶壓差著陸，則著陸載荷必須和由零到著陸期間所允許的最大壓差載荷相組合。

（d）款內(nèi)容要求飛機結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成能承受下述壓差載荷，對于申請批準(zhǔn)在直到13700m的高度運行的飛機，該載荷為釋壓閥最大調(diào)定值的1.33倍；對于申請批準(zhǔn)在13700m以上運行的飛機，該載荷為釋壓閥最大調(diào)定值的1.67倍，并略去其他載荷。

（e）款內(nèi)容要求增壓艙內(nèi)部和外部的任何結(jié)構(gòu)、組件或零件，如因其破壞而可能妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸時，則必須設(shè)計成能夠承受在任何使用高度由于以下三種情況使任何艙室出現(xiàn)孔洞而引起的壓力突降。

第一種情況是發(fā)動機碎裂后發(fā)動機的一部分穿通了增壓艙；

第二種情況是在任何增壓艙有尺寸不超過Ho的任何孔洞，但對無法合理預(yù)期會局限于小艙室的孔洞，可以將小艙室與其相鄰增壓艙合并起來作為一個艙室考慮。尺寸Ho須按式（6）計算：

第三種情況是未經(jīng)表明極不可能出現(xiàn)的由于飛機或設(shè)備損壞而造成的最大孔洞。

（f）款內(nèi)容要求在符合本條（e）款，確定損壞或穿通的概率和可能的孔洞尺寸時，如果還考慮到關(guān)閉裝置可能有的使用不當(dāng)以及誤開艙門的情況，則可以考慮設(shè)計的破損—安全特征。而且，合成的壓差載荷還必須以合理和保守的方式與1g平飛載荷以及由于應(yīng)急泄壓情況引起的任何載荷相組合。這類載荷可以按極限載荷考慮，但是這些情況引起的任何變形均不得妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸。也可考慮由于各艙之間的通風(fēng)所提供的減壓。

（g）款內(nèi)容要求載人增壓艙內(nèi)的隔框、地板和隔板必須設(shè)計成能承受本條（e）款所規(guī)定的情況。此外，還必須采取合理的設(shè)計預(yù)防措施，盡量減小由于零件脫落而傷害座位上乘員的概率。

CCAR-25.843“增壓座艙的試驗”的“（a）強度試驗”的內(nèi)容為：整個增壓艙，包括門、窗和閥門，必須作為一個壓力容器按CCAR-25.365（d）款規(guī)定的壓差進行試驗。

CCAR-25.365既是一個載荷條款，同時也是一個強度條款[18]。

其中，CCAR-25.365（a）款是對增壓艙強度的基本要求，要求增壓艙結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度來承受飛行載荷和由零到釋壓閥最大調(diào)定值的壓差載荷的組合作用，并選擇其嚴(yán)重組合作為設(shè)計載荷。這里的釋壓閥最大調(diào)定值實際上是壓調(diào)系統(tǒng)座艙壓力值的公差上限。

CCAR-25.365（b）款是CCAR-25.365 （a）款的補充規(guī)定。如果在飛行中對應(yīng)于規(guī)定載荷的應(yīng)力明顯受到外部壓力分布的影響，則在相應(yīng)于所考慮的飛行情況中，必須考慮外部壓力分布的影響。對于非圓截面機身增壓艙結(jié)構(gòu)，其不同曲率半徑連接的局部部位容易形成應(yīng)力集中，因此必須考慮應(yīng)力集中的影響。另外，增壓艙在飛行過程中承受重復(fù)載荷，有可能引起疲勞破壞，所以必須進行疲勞評定。疲勞評定按CCAR-25.571條（a）和（b）款進行。

CCAR-25.365（c）款考慮的是著陸情況。若飛機允許機艙帶壓差著陸，則應(yīng)考慮著陸載荷和壓差載荷的組合作用；其壓差載荷規(guī)定為零到著陸期間所允許的最大壓差載荷。

CCAR-25.365（d）款要求將增壓艙作為一個壓力容器來進行強度計算，考慮承受的座艙壓差載荷。大多數(shù)情況下，壓差載荷很難通過分析或試驗來確定，特別對于非圓截面的機身結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)載荷及由此引起的應(yīng)力分布很難準(zhǔn)確確定。因此條款規(guī)定，對于在13700m高度運行的飛機，載荷為釋壓閥最大調(diào)定值的1.33倍，而對于在13700m以上高度運行的飛機，系數(shù)被提高到1.67。把此載荷作為限制載荷考慮。

CCAR-25.365（e）款是對飛機增壓艙發(fā)生突然泄壓情況的安全要求。對增壓艙被隔板、隔框或地板分成兩部分或更多部分的結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計成能經(jīng)受住任一隔艙壓力突然下降所產(chǎn)生的載荷。飛機增壓艙在空中時增壓過程緩慢，在各隔艙之間不會產(chǎn)生壓差，只需增壓艙外壁承受壓差載荷。如果在空中出現(xiàn)艙門脫落、離散源損傷、駕駛艙風(fēng)擋破損或丟失、或壁板局部疲勞破壞等情況，將引起所在隔艙突然泄壓，造成空氣迅速流動，使得相鄰隔艙間產(chǎn)生壓差。這種壓差載荷可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或系統(tǒng)失效，進而影響飛行安全。

CCAR-25.365（f）款規(guī)定在確定疲勞或漏氣的可能性和可能出現(xiàn)的損壞孔口尺寸時，可以考慮設(shè)計的破損安全特征，而且還應(yīng)考慮關(guān)閉裝置操作不當(dāng)以及誤開艙門情況，考慮由于各艙之間通風(fēng)引起的壓力下降。

CCAR-25.365（g）款是從乘員安全方面對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的要求。必須采取合理的設(shè)計預(yù)防措施，以盡量減小由于零件的脫落而傷害座位上乘員的概率[18]。

CCAR-25.843（a）款是對增壓艙強度試驗的規(guī)定。條款要求把機身增壓艙當(dāng)作一個壓力容器來進行強度試驗。這一壓力容器包括機身、門、窗和相應(yīng)的閥門。同時，規(guī)定試驗時按CCAR-25.365（d）款規(guī)定的壓差值進行充壓試驗[18]。

3增壓艙強度的適航符合性驗證

增壓艙強度的驗證包括兩個部分，首先是增壓艙在正常情況下，靜強度及疲勞強度的驗證；其次是增壓艙發(fā)生突然泄壓情況下，增壓艙的強度驗證。下面分別從這兩個方面來說明適航符合性方法。

3.1增壓艙正常情況下的適航符合性驗證

對應(yīng)CCAR-25.365（a）～CCAR-25.365（d）款和CCAR-25.843（a）款的適航符號性驗證。3.1.1 MOC2驗證過程

應(yīng)針對所有的飛行載荷工況疊加增壓載荷，開展增壓艙結(jié)構(gòu)強度分析。同時，考慮對應(yīng)的局部外部氣動壓力。對于運行高度不大于13700m的飛機，選取壓差載荷乘以1.33（即4/3）作為限制載荷；對于運行高度在13700m以上的飛機，選取壓差載荷乘以1.67（即7/6）作為限制載荷。限制載荷乘以1.5的安全系數(shù)作為極限載荷，對增壓艙進行強度校核。強度校核裕度應(yīng)大于零，以表明機身增壓艙結(jié)構(gòu)滿足極限強度要求。

以某型飛機為例，其運行高度為7620m，低于13700m。取其座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的座艙最大壓差Δp的上限，為42.4kPa。因此，其限制載荷為1.33Δp，極限載荷為1.33×1.5Δp，約為2Δp。同時，選取飛機著陸工況載荷疊加從零到著陸期間增壓艙最大壓差載荷作為限制載荷，對增壓艙結(jié)構(gòu)進行強度校核。強度校核裕度應(yīng)大于零，以表明相應(yīng)的結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

對于增壓艙結(jié)構(gòu)可能存在的疲勞問題，對艙門、口蓋等開口區(qū)域以及增壓艙結(jié)構(gòu)連接部位進行詳細(xì)的疲勞及損傷容限評定，以表明相應(yīng)的結(jié)構(gòu)滿足疲勞強度要求。

3.1.2 MOC4驗證過程

對飛機結(jié)構(gòu)開展全機靜力試驗。選取臨界工況的飛行載荷和增壓艙載荷組合作為試驗載荷。通過試驗結(jié)果表明，飛機結(jié)構(gòu)能夠承受飛行載荷和增壓艙壓差載荷的組合作用，滿足CCAR-25.365（a）～CCAR-25.365（d）款和CCAR-25.843（a）款的要求。

3.2增壓艙突然泄壓情況下的適航符合性驗證

對CCAR-25.365（e）～CCAR-25.365（g）款的適航符合性驗證。

3.2.1 MOC2驗證過程

在增壓艙突然泄壓時，考慮如下三種情況下的孔洞尺寸：發(fā)動機碎裂后，發(fā)動機的一部分穿通了增壓艙的孔洞尺寸；按照本款規(guī)定的公式計算的孔洞尺寸；根據(jù)每個艙室的具體情況，對駕駛艙風(fēng)擋破損或丟失、艙門空中意外打開、疲勞裂紋引起的增壓艙孔洞等情況，以確定未經(jīng)表明是極不可能出現(xiàn)的由于飛機或設(shè)備損壞而造成的最大孔洞。最終取上述三種情況中最嚴(yán)重的情況用于突然泄壓載荷分析工作。把計算的各增壓艙室出現(xiàn)破洞情況下各隔艙的泄壓載荷作為極限載荷，對增壓艙內(nèi)部和外部的結(jié)構(gòu)、組件或零件進行突然泄壓情況下的強度校核。強度校核裕度應(yīng)大于零，以表明結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

把根據(jù)CCAR-25.365（e）款計算得出的各艙室隔板上的壓差載荷疊加1g平飛載荷作為極限載荷，對隔框結(jié)構(gòu)、客艙地板結(jié)構(gòu)、中后機身結(jié)構(gòu)、后機身結(jié)構(gòu)等相關(guān)的飛機結(jié)構(gòu)進行強度校核。強度校核裕度應(yīng)大于零，以表明結(jié)構(gòu)能夠滿足強度要求陸。

把根據(jù)CCAR-25.365（e）款計算得出的各艙室隔板上的壓差載荷作為極限載荷，對載人增壓艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)（如設(shè)備與機體連接結(jié)構(gòu)、駕駛艙門及其與機體連接結(jié)構(gòu)、客艙地板結(jié)構(gòu)等）進行強度校核。強度校核裕度應(yīng)大于零，以表明客艙中結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

3.2.2 MOC4驗證過程

對載人增壓艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾及質(zhì)量項目的機體連接進行靜力試驗，以驗證其具有承受CCAR-25.365（e）款規(guī)定的泄壓載荷的能力，可以滿足CCAR-25.365（e）～CCAR-25.365（g）款的強度要求。

4適航審查風(fēng)險點與審查重點

4.1適航審查風(fēng)險點

在進行民用飛機增壓艙強度的適航符合性審查時，可能的適航審查風(fēng)險點為：（1）在確定增壓艙壓差載荷時，選取的壓力值不是座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最大值。這可能計算的限制載荷與極限載荷偏小，導(dǎo)致評估結(jié)論的不充分；（2）壓差載荷未與1g平飛載荷進行疊加；這可能計算的限制載荷與極限載荷偏小，導(dǎo)致評估結(jié)論的不充分；（3）突然泄壓情況的泄壓載荷計算不準(zhǔn)確、不保守，進而導(dǎo)致評估結(jié)論的不充分。

4.2適航審查重點

根據(jù)對適航條款的理解和審查實踐，總結(jié)出以下需要重點關(guān)注的問題。

（1）在確定增壓艙壓差載荷時，選取的壓力值應(yīng)該是座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最大值，并且要疊加1g平飛載荷。因此，要對適航審定申請人提交的座艙壓差載荷報告進行詳細(xì)審查，以確定限制載荷及極限載荷的確定是否正確。同時要對申請人提交的增壓艙強度分析報告及疲勞評定報告進行詳細(xì)審查。重點審查截面半徑變化處的變形與應(yīng)力分布。審查是否由于應(yīng)力值變化較大帶來了附加二次彎矩等不利情形。

（2）在確定增壓艙突然泄壓情況的載荷時，要對申請人提交的計算報告進行詳細(xì)審查。確認(rèn)其計算模型、計算方法的有效性、保守性，包括孔洞假設(shè)的合理性、保守性，以保證計算得到的突然泄壓載荷的保守性。

（3）增壓艙強度試驗的代表性或保守性也是審查的另一個重點。對試驗情況是否與真實情況一致，或者比真實情況更保守、更嚴(yán)酷，需要重點關(guān)注。在審查中，應(yīng)對提交的試驗件設(shè)計文件、試驗大綱進行詳細(xì)審查，并通過試驗件制造符合性檢查、試驗前制造符合性檢查、試驗中進行目擊，對試驗件與試驗條件進行確認(rèn)。在試驗完成后，還應(yīng)對試驗報告進行審查，以確定試驗結(jié)論的正確性。

5結(jié)束語

本文從民用飛機增壓艙結(jié)構(gòu)變形與受力出發(fā)，以中國民用航空規(guī)章為依據(jù)，梳理了涉及增壓艙強度的相關(guān)條款要求，分析了驗證流程及符合性方法。本文根據(jù)以上研究工作確定了民用飛機增壓艙結(jié)構(gòu)適航審查風(fēng)險點和適航審查重點，期望能為國產(chǎn)民用飛機增壓艙的研制、適航符合性驗證及適航審查工作提供指導(dǎo)與參考。

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Compliance Verification of Pressurized Compartment Strength for Civil Aircraft

Zhang Zhao1，Sui Lijun2，3，Sun Youchao2，Qiu Tao4，Ma Jian4

1. AVIC China Aero-Polytechnology Establishment，Beijing 100028，China 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China 3. AVIC Xian Aeronautic Computing Technique Research Institute，Xian 710068，China 4. Airworthiness Certification Center of CAAC，Xian Aircraft Certification Center，Xian 710065，China

Abstract： In order to ensure the operational adaptability of aircraft and passenger comfort level， modern civil transport aircraft is usually installed with cabin pressure adjustment system to ensure that the cabin pressure， the difference between inside and outside pressure and the rate of change of cabin pressure are within the prescribed range. Therefore， there is a pressure difference between inside and outside the compartment during flight， and the pressurized compartment bears the internal pressure load. The pressurized compartment is actually a low-pressure thin-walled pressure vessel. From structure deformation and stress of pressurized compartment， based on Chinese civil aviation regulations， this paper analyzs the requirements related to the pressurized compartment strength， and analyzs the key points and risk points for the compliance verification of the pressurized compartment strength for the design and verification of civil aircraft， thus providing reference and guidance for design and verification.

Key Words： pressurized compartment strength； thin-walled pressure vessels； structural integrity； compliance verification； civil aircraft