金海鵬,葉 雷,劉世英,李嘉榮

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095）

《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出：深入實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，提升制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，加快先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料等技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證，推進(jìn)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)CJ1000 產(chǎn)品研制，突破寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化。民用航空器適航技術(shù)作為民航安全保證的基礎(chǔ)，其應(yīng)用貫穿設(shè)計(jì)、制造和管理運(yùn)行的全過(guò)程，有效保障了航空器的高安全水平[1]。

適航性是民用航空器（包括其部件及子系統(tǒng)）整體性能和操縱特性在預(yù)期運(yùn)行環(huán)境和使用條件限制下安全性和物理完整性的一種品質(zhì)。這種品質(zhì)要求航空器在全壽命階段內(nèi)始終保持符合其型號(hào)設(shè)計(jì)要求和始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)[2]。適航涉及民用航空產(chǎn)品本質(zhì)安全，涉及民用航空工業(yè)話語(yǔ)權(quán)，是國(guó)家民用航空工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分[3]。

民機(jī)的每一個(gè)零件都是由金屬、非金屬等材料經(jīng)過(guò)一系列工藝加工而成的，民機(jī)材料是民機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，材料質(zhì)量直接影響零件質(zhì)量，從而影響飛機(jī)的適航性。按照適航法規(guī)規(guī)定，民用航空器材料應(yīng)用必須通過(guò)適航符合性驗(yàn)證，即型號(hào)合格審查過(guò)程中，申請(qǐng)人（通常是設(shè)計(jì)方）通過(guò)不同驗(yàn)證方法證明材料滿足適航標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合性驗(yàn)證過(guò)程所應(yīng)用的、用于表明材料符合適航條款要求的技術(shù)就是符合性驗(yàn)證技術(shù)。突破符合性驗(yàn)證技術(shù)，且應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆闲则?yàn)證方法是材料在民機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵。特別是對(duì)于選用新材料的民機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)把材料適航符合性驗(yàn)證技術(shù)作為重點(diǎn)開(kāi)展研究和管理。材料體系是民機(jī)制造商核心技術(shù)體系之一，所以材料適航符合性驗(yàn)證始終是型號(hào)適航取證的難點(diǎn)和重點(diǎn)[4]。本文將重點(diǎn)對(duì)民用飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)等民機(jī)產(chǎn)品適航規(guī)章中材料條款要求進(jìn)行分析，例如：第25.603 條材料、第25.613 條材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值，第29.603 條材料、第29.613 條強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值，第33.15 條材料。在上述分析基礎(chǔ)上，結(jié)合已取得型號(hào)合格證和正在取證的典型民機(jī)型號(hào)材料符合性驗(yàn)證技術(shù)發(fā)展實(shí)際，總結(jié)闡明相應(yīng)條款的符合性驗(yàn)證技術(shù)和驗(yàn)證方法，為民機(jī)材料適航符合性計(jì)劃制定和材料發(fā)展應(yīng)用提供借鑒。

1 我國(guó)民機(jī)適航發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，我國(guó)的Y11B、Y8F、Y12、Y7、N5A、MA600、ARJ21-700 等飛機(jī)型號(hào)和AC311、H425、直8F-100 等直升機(jī)型號(hào)以及WJ5E、WJ6、WJ5A-1、HS6K、WJ9、WZ8、WZ16 等中小型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)取得了中國(guó)民航的適航證，部分已獲批準(zhǔn)的民用航空產(chǎn)品目錄如表1 所示[5]。

表1 已獲批準(zhǔn)的民用航空產(chǎn)品目錄[5]Table 1 Catalogue of approved civil aviation products [5]

其中，我國(guó)在民機(jī)飛機(jī)運(yùn)12 的材料適航驗(yàn)證方面，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。1987～1990 年，英國(guó)適航當(dāng)局CAA 對(duì)運(yùn)12 飛機(jī)的適航審查中，材料專業(yè)是最后通過(guò)的，符合性驗(yàn)證主要集中在材料標(biāo)準(zhǔn)、材料性能數(shù)據(jù)以及材料供應(yīng)商管控等。通過(guò)上述型號(hào)適航驗(yàn)證，積累了以下經(jīng)驗(yàn)[6]：

（1）適航性對(duì)材料的要求必須落實(shí)到經(jīng)規(guī)定程序批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)文件上(至少應(yīng)為企業(yè)級(jí))。這些文件包括:材料技術(shù)條件、訂貨文件、材料驗(yàn)收文件、工藝文件、測(cè)試方法及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)等。文件應(yīng)具有可操作性和可追蹤性，能保證生產(chǎn)穩(wěn)定性。

（2）國(guó)內(nèi)材料、特種工藝、理化檢測(cè)專業(yè)的現(xiàn)行正式標(biāo)準(zhǔn)(企標(biāo)、航標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)、國(guó)標(biāo)等)還不夠配套齊全，個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上還有欠缺，需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂工作。

（3）設(shè)計(jì)中使用的材料性能數(shù)據(jù)應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)(A 基值、B 基值)。我國(guó)手冊(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)自測(cè)數(shù)據(jù)的工作。

（4）應(yīng)加強(qiáng)材料供應(yīng)來(lái)源的質(zhì)量控制工作，將型號(hào)主承制商的質(zhì)量保證體系延伸到材料供應(yīng)商。

雖然上述民機(jī)應(yīng)用的材料隨型號(hào)一起通過(guò)了適航審查，取得了一定的材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但絕大部分關(guān)鍵材料均為國(guó)外牌號(hào)材料或進(jìn)口材料，國(guó)內(nèi)牌號(hào)材料較少能夠按照中國(guó)民用航空規(guī)章（CCAR）的適航要求通過(guò)符合性驗(yàn)證，仍需開(kāi)展大量的材料適航符合性驗(yàn)證技術(shù)研究。

2 民用航空產(chǎn)品材料的批準(zhǔn)

2.1 批準(zhǔn)方式

根據(jù)《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》[7](CCAR-21-R4)，“零部件”的定義指任何用于民用航空產(chǎn)品或者擬在民用航空產(chǎn)品上使用和安裝的材料、零件、部件、機(jī)載設(shè)備或者軟件。根據(jù)CCAR-21-R4 第21.9 條款，零部件獲得批準(zhǔn)的可選路徑如圖1 所示。

圖1 民用航空零部件獲得適航批準(zhǔn)的路徑Fig.1 Path of obtaining the airworthiness approval for civil aviation parts and components

適航規(guī)章和程序文件對(duì)民用航空器從型號(hào)合格審定、符合性試驗(yàn)、供應(yīng)廠商、生產(chǎn)許可與監(jiān)控以及持續(xù)適航等方面進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)零部件的適航審查，相關(guān)管理程序[8]和規(guī)章[9]也規(guī)定了民用航空產(chǎn)品的材料、零部件、機(jī)載設(shè)備批準(zhǔn)方式：

（1）頒發(fā)零部件制造人批準(zhǔn)書(shū)（CAAC-PMA）；

（2）頒發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書(shū)（CTSOA）；

（3）隨民用航空產(chǎn)品的型號(hào)合格（TC）審定、型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)合格（TDA）審定、補(bǔ)充型號(hào)合格（STC）審定和改裝設(shè)計(jì)批準(zhǔn)合格（MDA）審定一起批準(zhǔn)；

（4）隨民用航空產(chǎn)品的型號(hào)認(rèn)可合格審定或者補(bǔ)充型號(hào)認(rèn)可合格審定一起批準(zhǔn)；

（5）按進(jìn)口材料、零部件和機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)批準(zhǔn)認(rèn)可要求和程序頒發(fā)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)認(rèn)可證；

（6）民航總局規(guī)定的其他方式。

對(duì)于民機(jī)“零部件”中的材料而言，目前的適航批準(zhǔn)都是采用上述第（3）種方式[10]，即，隨民用航空產(chǎn)品的型號(hào)合格（TC）審定、型號(hào)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)合格（TDA）審定、補(bǔ)充型號(hào)合格（STC）審定和改裝設(shè)計(jì)批準(zhǔn)合格（MDA）審定一起批準(zhǔn)。2020 年7 月16 日，通過(guò)民航規(guī)〔2020〕22 號(hào)和〔2020〕23 號(hào)兩份文件《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定項(xiàng)目批準(zhǔn)書(shū)合格審定程序》(AP-21-AA-2020-12) 和《零部件制造人批準(zhǔn)書(shū)合格審定程序》(AP-21-AA-2020-13) 下發(fā)并生效，正式取代了AP-21-06R3 及其相關(guān)的3 份管理文件[11]，但對(duì)于材料批準(zhǔn)方式?jīng)]有發(fā)生改變，這與美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的要求十分接近。實(shí)際上，中國(guó)民用航空局對(duì)民機(jī)所用材料隨機(jī)審定（型號(hào)合格審定），并不單獨(dú)對(duì)材料進(jìn)行適航批準(zhǔn)。

2.2 符合性方法

適航驗(yàn)證的目的是表明民機(jī)設(shè)計(jì)符合適用的適航標(biāo)準(zhǔn)（含環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等）。對(duì)于適航符合性驗(yàn)證就是采用不同的方法以表明對(duì)適航規(guī)章條款的符合性，這些方法統(tǒng)稱為符合性驗(yàn)證方法（Method of Compliance,MOC）。《航空器型號(hào)合格審定程序》和歐洲適航規(guī)章規(guī)定了10 種符合性方法，為了便于編制合格審定計(jì)劃和驗(yàn)證文件，每種符合性方法賦予相應(yīng)的代碼，即MOC0-MOC9，材料符合性驗(yàn)證一般只用到MOC0、1、2、4，如表2 所示[12-13]。需要說(shuō)明的是表中符合性驗(yàn)證方法不同類別之間僅有驗(yàn)證成本的差異，驗(yàn)證有效性相同。

表2 符合性驗(yàn)證方法[12-13]Table 2 Acceptance means of compliance [12-13]

3 民機(jī)適航規(guī)章對(duì)材料的要求分析

適航條款作為約束民用航空器安全的最低安全標(biāo)準(zhǔn)，其重要性不言而喻。為提升適航條款落實(shí)的有效性，需對(duì)當(dāng)前適航條款進(jìn)行分析，解析出適航條款的具體要求，給工程設(shè)計(jì)人員提供清晰的適航設(shè)計(jì)指導(dǎo)。有效的適航條款要求的解析是直接影響民機(jī)的適航性設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證的關(guān)鍵因素之一。適航規(guī)章中民機(jī)的適航性要求主要是針對(duì)整機(jī)或其零組件，在各個(gè)適航規(guī)章中涉及材料的條款很少，而且只是概括性的。中國(guó)民用航空局（CAAC）關(guān)于民用航空器的適航規(guī)章CCAR25（運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)）[14]、CCAR29（運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定）第603 條款要求[15]以及CCAR33（航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定）第33.15 條款[16]為直接對(duì)“材料”做出規(guī)定的條款，與FAR 和CS-E 基本一致。

3.1 適航規(guī)章對(duì)飛機(jī)和直升機(jī)材料的要求

《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25）是研制包括ARJ21-700、C919 等運(yùn)輸類飛機(jī)所必須滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前有效版本為CCAR-25-R4，共計(jì)408 個(gè)條款[14]。材料的相關(guān)適航要求主要體現(xiàn)在CCAR-25 D分部設(shè)計(jì)與構(gòu)造中25.603 材 料和25.613 材料的強(qiáng)度性能和材料設(shè)計(jì)值?！哆\(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定》（CCAR-29）[15]是研制包括AC311、AC313 等運(yùn)輸旋翼類航空器所必須滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前有效版本為CCAR-29-R2，共計(jì)310 個(gè)條款，材料的直接相關(guān)適航要求主要體現(xiàn)在CCAR-29 D章設(shè)計(jì)與構(gòu)造中29.603 材 料和29.613 材料的強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值。上述兩部飛機(jī)和直升機(jī)適航規(guī)章中材料相關(guān)條款技術(shù)內(nèi)容基本一致，涉及的兩項(xiàng)條款要求一并分析。

3.1.1 第25.603/29.603 條材料

其損壞可能對(duì)安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

（a）建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。

（b）符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)（如工業(yè)或軍用標(biāo)準(zhǔn)，或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能。

（c）考慮服役/使用中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

根據(jù)工程實(shí)踐，從驗(yàn)證角度出發(fā)，本條（a）款[17]中材料的范疇是損壞后可能對(duì)安全性有不利影響的零件所用的材料（包括金屬和非金屬材料）的適用性和耐久性。這里的零件包括結(jié)構(gòu)零件，也包括非“結(jié)構(gòu)”零件。零件所用材料的適用性和耐久性必須建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。如經(jīng)過(guò)航線飛機(jī)長(zhǎng)期考驗(yàn)、被證明在各種不同載荷情況和環(huán)境下適用性和耐久性好的成熟材料，或是經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)確定的材料；（b）款是本條的核心適航要求，材料應(yīng)符合某種材料規(guī)范，材料規(guī)范應(yīng)具備保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的強(qiáng)度和其他性能的功能。因此，應(yīng)基于統(tǒng)計(jì)建立材料規(guī)范。只有基于統(tǒng)計(jì)建立的材料規(guī)范，才能保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的滿足一定概率要求的材料強(qiáng)度和其他性能。材料規(guī)范需經(jīng)過(guò)局方批準(zhǔn)，新的材料規(guī)范，需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的方法來(lái)確定[18]；（c）款針對(duì)的是材料的適用性和耐久性。由于有些材料其設(shè)計(jì)性能會(huì)隨環(huán)境而變化，因此這類材料用在關(guān)鍵零件上時(shí)要考慮環(huán)境因素的影響。

3.1.2 第25.613/29.613 條材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值

（a）材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的材料試驗(yàn)為依據(jù)（材料應(yīng)符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)），在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上制定設(shè)計(jì)值。

（b）材料的設(shè)計(jì)值必須使因材料偏差而引起結(jié)構(gòu)破壞的概率降至最小。除本條（e）和（f）的規(guī)定外，必須通過(guò)選擇確保材料強(qiáng)度具有下述概率的設(shè)計(jì)值來(lái)表明其符合性：（1）如果所加的載荷最終通過(guò)組件內(nèi)的單個(gè)元件傳遞，因而該元件的破壞會(huì)導(dǎo)致部件失去結(jié)構(gòu)完整性，則概率為99%，置信度95%；（2）對(duì)于單個(gè)元件破壞將使施加的載荷安全地分配到其他承載元件的靜不定結(jié)構(gòu)，概率為90%，置信度95%。/設(shè)計(jì)值的選擇必須使任何結(jié)構(gòu)因材料變化而破壞的概率極小。除本條（d）和（e）所規(guī)定的以外，必須通過(guò)選取保證具有下述概率引起的設(shè)計(jì)值來(lái)表明本款的符合性：（1）對(duì)所施加載荷最終分布于某部件中的單個(gè)元件的情況，若該元件的破壞將導(dǎo)致部件結(jié)構(gòu)完整性的喪失，則應(yīng)保證99%的概率及95%的置信度；（2）對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，若單個(gè)元件的破壞將導(dǎo)致所施加的載荷安全地分配到其他承載元件上，則應(yīng)保證90% 的概率及95%的置信度。

（c）在飛機(jī)運(yùn)行包線內(nèi)受環(huán)境影響顯著的至關(guān)重要的部件或結(jié)構(gòu)，必須考慮環(huán)境條件，如溫度和濕度，對(duì)所用材料的設(shè)計(jì)值的影響。/結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造，必須使災(zāi)難性疲勞破壞的概率減至最小，特別是在應(yīng)力集中處。

（e）如果在使用前對(duì)每一單項(xiàng)取樣進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)該特定項(xiàng)目的實(shí)際強(qiáng)度性能等于或大于設(shè)計(jì)使用值，則通過(guò)這樣“精選”的材料可以采用較高的設(shè)計(jì)值。/如果在使用前對(duì)每個(gè)單獨(dú)項(xiàng)目取樣進(jìn)行試驗(yàn)從而對(duì)材料加以選擇，并確定該特定項(xiàng)目的真實(shí)強(qiáng)度特性達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)中使用的數(shù)值，則可采用其他設(shè)計(jì)值。

（f）如果經(jīng)中國(guó)民用航空局適航部門批準(zhǔn)，可以使用其他的材料設(shè)計(jì)值。/（d）設(shè)計(jì)值必須是經(jīng)民航局認(rèn)可的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中的數(shù)值，或者是經(jīng)民航局批準(zhǔn)的其他數(shù)值。

對(duì)材料強(qiáng)度性能和設(shè)計(jì)值，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇材料的原則進(jìn)行了規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要按25.603 條款選擇材料（符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)）[19]。強(qiáng)度所用的設(shè)計(jì)許用值應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)獲得，其材料的強(qiáng)度性能需要按照批準(zhǔn)的材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，并獲得足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。材料的性能數(shù)據(jù)的得出應(yīng)當(dāng)建立在可靠的統(tǒng)計(jì)方法基礎(chǔ)上，性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理應(yīng)采用局方認(rèn)可的方法，如復(fù)合材料宜采用“復(fù)合材料手冊(cè)”（CMH-17）提供的設(shè)計(jì)值統(tǒng)計(jì)方法，金屬材料宜采用“金屬材料性能發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化”（MMPDS）第九章“指南”中提出的材料設(shè)計(jì)值統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，并給出A、B 基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)值[20]。確定設(shè)計(jì)許用值時(shí)還要考慮濕熱環(huán)境、疲勞損傷等影響。

根據(jù)工程實(shí)踐，從驗(yàn)證角度出發(fā)，本條（a）款中規(guī)定[21]材料設(shè)計(jì)值要在足夠的材料強(qiáng)度性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲得?！白銐颉笔侵笇?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量足以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并能保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有高的置信度。（b）款規(guī)定材料的設(shè)計(jì)值需覆蓋材料偏差，從而將因材料偏差引起結(jié)構(gòu)破壞的概率降至最小。這里的“材料偏差”是在材料強(qiáng)度性能的波動(dòng)，這些波動(dòng)源于材料生產(chǎn)工藝所允許的公差范圍。為達(dá)到破壞概率最小的要求，對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征的材料設(shè)計(jì)值分別提出了概率要求。對(duì)于飛機(jī)，（c）款要求當(dāng)部件或結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，所用材料的設(shè)計(jì)值需考慮環(huán)境條件的影響，即零件對(duì)飛機(jī)安全有重要影響和受環(huán)境影響顯著?！碍h(huán)境條件”為飛機(jī)運(yùn)行包線內(nèi)的環(huán)境條件，主要包括溫度和濕度，還包括介質(zhì)和輻射等?？紤]環(huán)境對(duì)材料設(shè)計(jì)值的影響時(shí)，應(yīng)考慮最不利的環(huán)境條件組合；對(duì)于直升機(jī)，（c）款是有關(guān)使災(zāi)難性疲勞破壞減至最小的目標(biāo)要求，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)所指定的疲勞評(píng)定準(zhǔn)則使用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征。（e）款與（b）款目的要求都是要將因材料偏差而引起結(jié)構(gòu)破壞的概率降至最小，可通過(guò)“統(tǒng)計(jì)”方法實(shí)現(xiàn)，也可以基于“精選”方法實(shí)現(xiàn)。如果根據(jù)（e）款采用了“精選”方法，則可以使用大于（b）款確定的設(shè)計(jì)值。在這一過(guò)程中，對(duì)合適的試樣進(jìn)行測(cè)試，以確定將安裝在飛機(jī)上的每個(gè)零部件的實(shí)際強(qiáng)度特性，以確保強(qiáng)度不會(huì)低于設(shè)計(jì)使用的強(qiáng)度。同時(shí)要滿足：（1）如果已知材料是各向異性的，則測(cè)試應(yīng)考慮這一條件；（2）如采用精選方案，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖上明確試驗(yàn)程序和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)材料規(guī)章25.613 條（f）款與直升機(jī)材料規(guī)章29.613 條（d）款要求相近，即可以直接采用局方認(rèn)可的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中規(guī)定的材料設(shè)計(jì)值，或局方逐項(xiàng)批準(zhǔn)，考慮材料來(lái)源、服役經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用情況，以前使用的材料設(shè)計(jì)值（例如MIL-HDBK-5 或ESDU 00932 的“S”值）。

3.2 適航規(guī)章對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料的要求

《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-33）[16,22]是研制包括WZ8、AES100、CJ1000 等運(yùn)輸旋翼類航空器所必須滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前有效版本為CCAR-33-R2，共計(jì)72 個(gè)條款，材料直接相關(guān)適航要求只有CCAR-33B 章設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)中的33.15 條。

發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料的適用性和耐久性必須滿足下列要求：

（a）建立在經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上；

（b）符合經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)范（如工業(yè)或軍用規(guī)范），保證這些材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能。

根據(jù)工程實(shí)踐，從驗(yàn)證角度出發(fā)，本條（a）款要求材料應(yīng)具有一定的使用經(jīng)驗(yàn)，且材料必須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證；（b）款是核心的適航要求，材料應(yīng)符合特定材料規(guī)范，材料規(guī)范應(yīng)基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析建立，具備保證材料具有設(shè)計(jì)資料中采用的強(qiáng)度和其他性能的功能，以確保用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的材料許用值（設(shè)計(jì)許用值）具有統(tǒng)計(jì)上的可靠性。

4 民機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證技術(shù)

4.1 飛機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證

4.1.1 復(fù)合材料驗(yàn)證

隨著復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）于2009 年頒布了咨詢通告AC20-107B“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”[23]，其中第6（a）條對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料和工藝控制的符合性驗(yàn)證提供了可接受但不是唯一的概括性的驗(yàn)證方法，包括材料和工藝標(biāo)準(zhǔn)的建立、制造工藝更改的控制、規(guī)范性能指標(biāo)的確定、環(huán)境對(duì)材料和工藝影響數(shù)據(jù)庫(kù)的提供、監(jiān)控關(guān)鍵特性和工藝參數(shù)的過(guò)程質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)允許的差異容限等6 個(gè)方面。美國(guó)先進(jìn)材料性能國(guó)家中心（NCAMP）建立了復(fù)合材料規(guī)范和設(shè)計(jì)值方法，落實(shí)了FAA 所發(fā)布的關(guān)于復(fù)合材料鑒定、材料規(guī)范和工藝規(guī)范建立方法指導(dǎo)材料的指導(dǎo)意見(jiàn)[24-26]。

25.603和29.603條宜采用MOC1，MOC2 和MOC4 的方法對(duì)進(jìn)行符合性驗(yàn)證[27]。FAA 接受NCAMP 建立的復(fù)合材料行業(yè)規(guī)范作為25.603 和29.603 條款的證據(jù)[28]，但需要開(kāi)展等同性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。受限于驗(yàn)證技術(shù)和成本考慮，目前國(guó)內(nèi)的型號(hào)申請(qǐng)人未在大型飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等型號(hào)適航取證中采用NCAMP 材料規(guī)范作為證據(jù)，而采用驗(yàn)證復(fù)合材料規(guī)范的方式，進(jìn)行該適航條款的符合性驗(yàn)證。復(fù)合材料規(guī)范建立的驗(yàn)證活動(dòng)，是復(fù)合材料對(duì)25.603 和29.603 條款符合性驗(yàn)證的核心。對(duì)于運(yùn)輸類飛機(jī)，采用NCAMP 生成的材料規(guī)范、材料性能數(shù)據(jù)，并為此開(kāi)展的等同性驗(yàn)證工作，還需與負(fù)責(zé)型號(hào)審定的審查組具體溝通確認(rèn)工作充分性。材料生產(chǎn)商所提供的材料應(yīng)經(jīng)過(guò)型號(hào)申請(qǐng)人的鑒定，之后在型號(hào)合格審定過(guò)程中進(jìn)行符合25.603和29.603 條款的適航驗(yàn)證工作，其主要流程是型號(hào)申請(qǐng)人首先制定材料選用原則，依據(jù)選材原則進(jìn)行型號(hào)材料；其次編制材料選用范圍目錄、材料標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)、全機(jī)材料選用總結(jié)；再次編制材料規(guī)范，驗(yàn)證材料的適用性，鑒定材料是否合格[24]，提供材料基本性能。通過(guò)上述工作，完成對(duì)該適航條款的驗(yàn)證工作。

25.613和29.613條宜采用MOC1、MOC2 和MOC4 的方法進(jìn)行符合性驗(yàn)證。FAA 接受NCAMP建立的復(fù)合材料設(shè)計(jì)值作為表明25.613 和29.613條款的證據(jù)[28]，但需要開(kāi)展等同性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。除對(duì)各部位復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選取其典型層板的鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)許用值的試驗(yàn)，以獲得該部位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)許用值，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析外，工藝（制造方法）也是重要的影響因素，需要開(kāi)展補(bǔ)充驗(yàn)證。受限于等同性驗(yàn)證方法發(fā)生Ⅱ型錯(cuò)誤的可能性缺乏充分研究，也受限于驗(yàn)證技術(shù)和成本考慮，目前國(guó)內(nèi)的型號(hào)申請(qǐng)人未在大型飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等型號(hào)適航取證中采用NCAMP 材料規(guī)范作為證據(jù)，而采用驗(yàn)證復(fù)合材料規(guī)范的方式，進(jìn)行適航條款的符合性驗(yàn)證。驗(yàn)證一般按照ASTM、EN、ISO 或其他被中國(guó)民用航空局認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)典型試驗(yàn)件并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：開(kāi)孔拉伸、開(kāi)孔壓縮、沖擊后壓縮、面內(nèi)剪切等在常溫、濕熱環(huán)境下的試驗(yàn)。按照CMH-17 的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，給出符合條款要求可靠度與置信度的設(shè)計(jì)許用值，包括拉伸許用值、壓縮許用值、剪切許用值，以及環(huán)境影響因子[29-30]。

4.1.2 金屬材料驗(yàn)證

經(jīng)向目前國(guó)內(nèi)主要飛機(jī)型號(hào)申請(qǐng)的團(tuán)隊(duì)調(diào)研，金屬材料的驗(yàn)證方法主要按照是否有在民用飛機(jī)上成熟應(yīng)用進(jìn)行劃分：

（1）對(duì)于成熟應(yīng)用材料，材料規(guī)范已經(jīng)在取證的民機(jī)上作為設(shè)計(jì)資料，并且材料供應(yīng)商按照相同生產(chǎn)過(guò)程控制文件生產(chǎn)的材料已經(jīng)被列為合格產(chǎn)品的，采用MOC1（符合性說(shuō)明）表明符合性；相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)值也可以被采用。MMPDS 手冊(cè)所列AMS 規(guī)范及相應(yīng)的合格產(chǎn)品也屬于這種情況；

（2）對(duì)于成熟材料規(guī)范但新材料生產(chǎn)商，需要通過(guò)試驗(yàn)表明材料對(duì)規(guī)范的符合性，即材料合格鑒定。通過(guò)材料合格鑒定的，納入合格產(chǎn)品目錄。生產(chǎn)過(guò)程控制文件（PCD 文件）評(píng)審，是申請(qǐng)人需要開(kāi)展的必要工作。一般采用多批次的鑒定試驗(yàn)；

（3）對(duì)于新材料，材料規(guī)范、材料來(lái)源均未在經(jīng)批準(zhǔn)的民機(jī)上應(yīng)用。需要在材料穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展多批次材料試驗(yàn)（MOC4），經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)建立材料規(guī)范、材料設(shè)計(jì)值。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證

民用發(fā)動(dòng)機(jī)安全性指標(biāo)是有定量的概率值（10–5）定義的，安全性指標(biāo)的“由頂至底”的定量分配與“由底至頂”的定量驗(yàn)證是提升發(fā)動(dòng)機(jī)安全性水平的關(guān)鍵核心。目前，國(guó)內(nèi)目前僅有少數(shù)中小型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)中國(guó)民航的認(rèn)證，且隨型號(hào)驗(yàn)證的大多采用國(guó)外牌號(hào)材料，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)材料在適用性、耐久性的適航符合性驗(yàn)證方面公開(kāi)報(bào)道較少。下面分別介紹FAA 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料審查和驗(yàn)證工作以及國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證思路。

4.2.1 FAA 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新材料的審查

在GEPassport 20 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證材料性能報(bào)告給出了新材料的符合性驗(yàn)證方法[31]。依據(jù)14CFR 33.15 對(duì)全部新材料和工藝進(jìn)行工程試驗(yàn)和分析來(lái)表征材料性能，編制并提交包含所有新材料的獨(dú)立審查報(bào)告，報(bào)告用于建立新材料的適用性和耐久性，包括材料性能、工藝穩(wěn)定性以及過(guò)程控制規(guī)范。報(bào)告中包含使用新材料零件的描述，材料符合標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝上下限的要求，新舊材料的物理、力學(xué)和環(huán)境特性等關(guān)鍵性能和關(guān)鍵特性的對(duì)比，如表3 所示，并提供每種新材料應(yīng)用的合理性和優(yōu)勢(shì)。

表3 GE Passport 20 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的新材料[31]Table 3 New materials for GE Passport 20 engine applications[31]

新材料符合經(jīng)批準(zhǔn)的規(guī)范，規(guī)范保證了新材料具有設(shè)計(jì)所需的性能。應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的新材料通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)審查試驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試后的評(píng)估，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和規(guī)范表明，GE Passport 20 采用的新材料滿足14 CFR、part 33、Amendment 32、Section 33.15 的要求，GE Passport 20 所采用新材料的適用性和耐久性得到了驗(yàn)證，材料符合性驗(yàn)證主要采用了MOC2 方法。

4.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)材料符合性驗(yàn)證思路

國(guó)內(nèi)民用發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大多采用的是新材料和新工藝，新材料、新工藝是航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，也是適航審查的重中之重[32]。由于中國(guó)民航局還未正式發(fā)布獨(dú)立完整的發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性方法，因此對(duì)CCAR-33.15 條款的符合性驗(yàn)證仍參考FAR-33 相應(yīng)條款的歷次修正案、咨詢通告（AC）及相關(guān)參考文件。咨詢通告主要包括：AC33.15-1[33]、AC33.15-2[34]、AC33-10[35]、AC33-11[36]等。國(guó)內(nèi)隨著民用飛機(jī)型號(hào)（ARJ21 和C919）適航認(rèn)證的深入，逐步建立了飛機(jī)材料/標(biāo)準(zhǔn)件適航符合性驗(yàn)證程序以及供應(yīng)商管理和質(zhì)量體系批準(zhǔn)程序，發(fā)動(dòng)機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證可借鑒國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)材料和國(guó)內(nèi)飛機(jī)材料符合性驗(yàn)證流程、設(shè)計(jì)用材料性能數(shù)據(jù)獲取等方面經(jīng)驗(yàn)，形成CCAR-33.15條款的符合性驗(yàn)證方法，主要包括材料標(biāo)準(zhǔn)制定、材料性能數(shù)據(jù)和過(guò)程控制。

按照AIR 4779D 要求[37]通常材料規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)）中包含三方面的技術(shù)要求：（1）直接影響材料性能/功能的材料生產(chǎn)工藝要求。例如熔煉、鑄造、鍛造、熱處理等。（2）直接影響材料性能/功能的材料組成和組織結(jié)構(gòu)。例如化學(xué)成分、宏微觀組織。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能全面控制的代表性的材料性能參數(shù)。例如：物理化學(xué)性能，力學(xué)性能，無(wú)損檢測(cè)。材料標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)基于統(tǒng)計(jì)計(jì)算，參照AMS標(biāo)準(zhǔn)的形成過(guò)程建立材料標(biāo)準(zhǔn)。

材料必須具備足夠的設(shè)計(jì)所需的性能數(shù)據(jù)，尤其是在關(guān)鍵及重要部位使用的材料。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能數(shù)據(jù)如A基值、B基值、－3σ值、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、不同溫度下的性能、疲勞性能、斷裂性能、腐蝕性能、損傷容限性能等，這些性能數(shù)據(jù)不可能進(jìn)行多熔批材料的性能測(cè)試，但必須測(cè)試相應(yīng)數(shù)量的值，以保證提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效性。不同的使用部位，根據(jù)其重要程度，選用不同的統(tǒng)計(jì)值。

過(guò)程控制包括原材料生產(chǎn)、供應(yīng)廠商控制、材料標(biāo)準(zhǔn)、零件制造、質(zhì)量保證、檢驗(yàn)等方面，這些過(guò)程控制是保證零件達(dá)到要求的充分必要條件，也是材料適航符合性驗(yàn)證的重要依據(jù)。

4.3 直升機(jī)材料適航符合性驗(yàn)證

AC313 直升機(jī)取證過(guò)程中，采用MOC1、MOC4和MOC9 的方法進(jìn)行了29.603 符合性驗(yàn)證[38]。在零件設(shè)計(jì)圖樣中明確所選用的材料及其要求。其中涉及的金屬材料均在型號(hào)上廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試飛驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)可以證明其性能的穩(wěn)定性；機(jī)體結(jié)構(gòu)、旋翼系統(tǒng)使用的復(fù)合材料[39]是在借鑒其他機(jī)型國(guó)產(chǎn)化研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于民機(jī)，在其他機(jī)型工藝、性能研究的基礎(chǔ)上，又按“積木式方法”補(bǔ)充進(jìn)行了材料試樣級(jí)、元組件級(jí)以及部件級(jí)試驗(yàn)。其他非金屬材料，根據(jù)具體使用部位要求，補(bǔ)充了阻燃試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證?？梢?jiàn)，AC313 直升機(jī)所選用的復(fù)合材料、金屬材料及非金屬材料大多建立在型號(hào)使用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，并且針對(duì)復(fù)合材料和部分非金屬材料已補(bǔ)充了試驗(yàn)驗(yàn)證。材料均已進(jìn)行了隨機(jī)試飛考核或是進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，符合（a）款要求。

針對(duì)29.603（b）款，AC313 直升機(jī)金屬材料標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)軍標(biāo)、國(guó)標(biāo)為主，非金屬材料標(biāo)準(zhǔn)以行業(yè)、型號(hào)或是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為主，這些標(biāo)準(zhǔn)均經(jīng)過(guò)主管部門批準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)頒布實(shí)施，并為現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)為直升機(jī)專用標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)行業(yè)評(píng)審，且按“積木式方法”要求補(bǔ)充進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。AC313直升機(jī)采用的材料均具有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，并且按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保材料具有設(shè)計(jì)資料中所采用的強(qiáng)度和其他特性，符合（b）款要求[38]。

針對(duì)29.603（c）款，環(huán)境影響包括自然環(huán)境和安裝環(huán)境。安裝環(huán)境既要考慮與潛在有害液體和化合物的直接接觸，也要考慮他們的預(yù)期流動(dòng)情況。設(shè)計(jì)選材時(shí)充分考慮使用中預(yù)期出現(xiàn)的環(huán)境條件，選用適應(yīng)期環(huán)境條件的材料。尤其是復(fù)合材料，充分考慮溫度、濕度等對(duì)復(fù)合材料特性的影響。另外，型號(hào)選取的材料及采取的防護(hù)措施已在其他型號(hào)上經(jīng)受了外場(chǎng)的使用飛行考核，符合（c）款要求。

采用MOC1、MOC2、MOC4的方法進(jìn)行29.613 條款符合性驗(yàn)證[38]。金屬材料選擇成熟材料，強(qiáng)度驗(yàn)證用的強(qiáng)度性能值選取自局方認(rèn)可的《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》或在圖樣上給出具體規(guī)定；旋翼系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，其強(qiáng)度性能主要是結(jié)合具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征，通過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元件級(jí)試驗(yàn)，以統(tǒng)計(jì)分析的方法確定的。試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)均為ASTM 系列標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)所用統(tǒng)計(jì)分析方法經(jīng)過(guò)局方批準(zhǔn)。在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，充分考慮疲勞破壞的影響，采用合理安排結(jié)構(gòu)布局和傳力路徑、采用圓弧過(guò)渡和減少界面突變、降低零件表面粗糙度等措施來(lái)使結(jié)構(gòu)災(zāi)難性疲勞破壞的概率減至最小，表明對(duì)29.613 條款的符合性。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)先進(jìn)渦扇支線飛機(jī)ARJ21 和大型民用直升機(jī)AC313 已取證，其選用的材料也隨機(jī)完成符合性驗(yàn)證，表明民用飛機(jī)材料和民用直升機(jī)材料在設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造方面取得重要成果、獲得寶貴經(jīng)驗(yàn)，特別是在材料符合性驗(yàn)證技術(shù)方面有了一定的技術(shù)積累，這些經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)材料適航驗(yàn)證提供了方法和技術(shù)借鑒，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）民用飛機(jī)和直升機(jī)規(guī)章中材料條款2X.603和2X.613 條主要采用MOC1、MOC2、MOC4 方法進(jìn)行符合性驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)章材料條款33.15 可借鑒飛機(jī)和直升機(jī)材料條款的驗(yàn)證方法進(jìn)行驗(yàn)證。

（2）材料適航符合性驗(yàn)證中，基于統(tǒng)計(jì)分析的方法建立標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）是材料符合性驗(yàn)證的關(guān)鍵，民機(jī)材料要實(shí)現(xiàn)定量的符合性驗(yàn)證的關(guān)鍵是材料標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），只有基于統(tǒng)計(jì)建立的材料標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），才能保證材料具有設(shè)計(jì)資料所采用的滿足一定概率要求的材料強(qiáng)度和其他性能。

（3）統(tǒng)籌現(xiàn)有符合性驗(yàn)證技術(shù)基礎(chǔ)、驗(yàn)證管理流程和型號(hào)發(fā)展需求，創(chuàng)新管理實(shí)踐，科學(xué)規(guī)范民用發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)選材，提升材料適航符合性計(jì)劃水平，增強(qiáng)材料適航符合性驗(yàn)證技術(shù)能力，大力推進(jìn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)材料隨民用航空產(chǎn)品的型號(hào)合格批準(zhǔn)，為促進(jìn)我國(guó)民用發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展提供技術(shù)保障。