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作者简介:

隋立军,男,硕士,高级工程师。主要研究方向:民用航空器结构强度适航审定。E-mail:ljsui@163.com;

邱弢,男,学士,正高级工程师。主要研究方向:航空器适航审定。E-mail:410252841@qq.com

通讯作者:

隋立军,E-mail:ljsui@163.com

中图分类号:V216.2

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.03.016

参考文献 1
翟冰冰,屈昕,田傲.大型运输类飞机滑油箱晃振适航验证研究[J].甘肃科技,2019,35(15):32-33.
参考文献 2
李威锋.飞机燃油箱晃振动力学与振动疲劳分析[D].南京:南京航空航天大学,2014.
参考文献 3
吴早凤,黄晓霞,秦利军,等.储液油箱晃振响应分析[J].教练机,2014(03):65-68.
参考文献 4
李宝方.飞机燃油箱晃振试验[J].航空标准化与质量,1992(1):16-20.
参考文献 5
叶休乃.飞机油箱的晃动或晃振试验问题综述[J].航空标准化与质量,1986(1):45-49.
参考文献 6
中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.
参考文献 7
FAA.Certification of transport category rotorcraft:AC 29-2C[S].Washington:FAA,2008.
参考文献 8
FAA.Certification of normal category rotorcraft:AC 27-1B[S].Washington:FAA,2008.
参考文献 9
FAA.Powerplant guide for certification of part 23 airplanes and airships:23-16A[S].Washington:FAA,2004.
参考文献 10
中国航空工业总公司.飞机燃油箱晃动和振动试验要求:HB 6757-93[S].北京:中国航空工业总公司,1994.
目录contents

    摘要

    民用飞机燃油箱/滑油箱装载的燃油/滑油在惯性载荷的作用下,会对邻近结构带来冲击力,可能造成油箱结构件的疲劳或强度问题,引起油箱漏油,进而引发其他安全问题。依据第25.965条、第25.1015条中燃油箱及滑油箱晃振试验的相关要求,分析了晃振试验的适用性、验证实施及审查方式,梳理了审查风险点并提出了对应的审查重点。结合具体型号审查案例,对审查的过程及符合性判定进行了分析。分析了燃油箱、滑油箱设计特征并与条款判据进行对比,明确了25.965(b)、25.1015(b)的符合性验证思路,以说明性文件的方式进行符合性表明。通过审查案例说明,采用符合性判据,并与飞机设计特征进行对比,可直接对晃振试验的适用性及符合性进行判断。梳理总结得到的符合性判据、审查重点及风险点为燃油箱及滑油箱晃振试验的型号审查工程实践的具体实施提供了一定的参考及明确判据。

    Abstract

    Under the action of inertial load, the fuel or oil loaded in the fuel tank/oil tank of civil aircraft will bring impact force to the adjacent structure, which may cause fatigue or strength problems of the fuel tank structural parts, cause the fuel tank to leak, and cause other safety problems. According to the requirements of the fuel tank and oil tank sloshing test in 25.965 and 25.1015, this paper analyzes the applicability, compliance implementation and methods for sloshing and vibration test, sorts out the compliance risk points and puts forward the corresponding compliance focus. Combined with compliance cases, the review process and compliance determination were analyzed. In the compliance cases, this paper analyzes the design features of fuel tank and oil tank, compares them with the clause criteria, clarifies the compliance methods of 25.965(b), 25.1015(b), and conducts compliance in the form of explanatory documents. The compliance case study shows that the applicability and compliance of the sloshing and vibration test can be directly judged by adopting the compliance criterion and comparing with the design features. This paper summarizes the compliance criterion, review focus and risk points, which provides certain references and clear criteria for the specific the specific aspects of the engineering practice of the fuel tank and oil tank sloshing and vibration test.

  • 0 引言

  • 民用飞机燃油箱及滑油箱装载的燃油、滑油在惯性载荷的作用下,会对邻近结构带来冲击力,可能造成油箱结构件的疲劳或强度问题,引起油箱漏油,进而引发其他安全问题[1-5]

  • 中国民用航空规章《运输类飞机适航标准》CCAR-25-R4[6]中的第25.965条、第25.1015条规定了燃油箱及滑油箱晃振试验验证的具体要求。本文梳理了条款要求及验证方法,结合某型号飞机对25.965条、25.1015条的符合性判定过程,总结了燃油箱及滑油箱晃振试验验证的关键环节、适航审查风险点及审查重点,为民用运输类飞机燃油箱及滑油箱晃振试验验证及审查工作提供了参考和指导。

  • 1 燃油箱及滑油箱晃振的条款要求

  • 中国民用航空规章《运输类飞机适航标准》CCAR-25-R4[6]第25.965条、第25.1015条规定了燃油箱及滑油箱晃振及验证的具体要求。对于燃油箱及滑油箱,应按第25.965条、第25.1015条开展耐压试验及晃振试验。需要注意的是,虽然针对滑油箱未明确说明需要开展晃振试验验证,但第25.1015条明确指出应满足第25.965条的要求,实际上是要求参考第25.965条的(a)、(b)、(c)、(d)款对滑油箱进行验证,即按第25.1015条(b)(1)款规定的压力进行滑油箱耐压试验,按第25.965(b)款要求进行滑油箱晃振试验。

  • 对于燃油箱及滑油箱,耐压试验条款要求较为明确,因此开展设计及适航验证过程中分歧不多。晃振试验则相比来说比较复杂,在验证过程中容易产生分歧,特别是“大的无支承(或无加强)平面”的定义未在条款中直接说明。

  • 2 燃油箱/滑油箱晃振试验的适用性判定及实施

  • 25.965(b)、25.1015(b)条款的验证目的是通过试验来确保燃油箱和滑油箱的结构完整性,进而确保在一定的条件下不会引起漏油等危险。该条款阐明了需要开展晃振试验的燃油箱、滑油箱的条件和情况,即由大的无支承或无加强平面构成的金属材质的燃油箱、滑油箱。

  • 目前,CCAR-25-R4中未直接给出“大的无支承(或无加强)平面”的定义,也未有直接针对25.965、25.1015的相关AC,因此该条的适用性判定是审查的重点和难点,也是验证工作中存在的较大风险点,一旦验证不充分,就可能造成燃油箱的意外损坏,造成其他危险事件征候。

  • 目前,仅在美国联邦航空局发布的三个相关AC中给出了可参考的判据。

  • 2.1 燃油箱/滑油箱晃振试验适用性的判定

  • 美国联邦航空局发布的AC 29-2C[7]和AC 27-1B[8]中认为容积不大于10gal(37.85L),油箱壁由简单的宽的平面构成,油箱壁厚大于等于0.05in(1.27mm)的金属油箱可以不进行晃振试验。基于此,AC 29-2C和AC 27-1B认为面积超过14in(355.6mm)×14in(355.6mm)的平面可认为是大的平面。

  • 除此之外,AC 23-16A[9]中说明若燃油箱由宽的没有隔板的平面组成,容积大于10gal(37.85L)时需要进行晃振试验。如果油箱内部具有隔板,且分隔该平面后的宽度方向和长度方向上的尺寸小于等于15in(381mm),或者油箱由厚度大于等于0.05in(1.27mm)的铝合金板构成,通过相关服役运行经验或设计特征可表明油箱结构的完整性,则不需要进行晃振试验。由于该类金属油箱的箱壁具有无支承或无加强的大平面,油箱壁平面在其法向上的刚度较小,承载能力相对较弱,因此油箱需要进行晃振试验,确保油箱无漏油或油箱壁无过度变形。

  • 结合美国联邦航空局发布的以上三个参考资料,经总结不需要开展晃振试验的条件为:

  • 1) 油箱的容积不大于10gal(37.85L)(AC 29-2C、AC 27-1B、AC 23-16A);

  • 2) 油箱壁由简单的宽的平面(面积小于等于14in(355.6mm)×14in(355.6mm)的平面)构成(AC 29-2C、AC 27-1B);

  • 3) 油箱具有内部隔板,分隔该平面后的宽度方向和长度方向上的尺寸小于等于15in(381mm)(AC 23-16A);

  • 4) 油箱由厚度大于等于0.05in(1.27mm)的铝合金板组成(AC 29-2C、AC 27-1B、AC 23-16A)。

  • 上述四种情况可以进一步简化为以下三种情形:

  • 1) 油箱的容积不大于10gal(37.85L);

  • 2) 油箱具有内部隔板,油箱壁由简单的宽的平面(面积小于等于14in(355.6mm)×14in(355.6mm)的平面)构成;

  • 3) 油箱由厚度大于等于0.05in(1.27mm)的铝合金板组成。

  • 因此,当燃油箱或滑油箱符合上述三个条件中任意一种情况时,不需开展晃振试验。

  • 2.2 燃油箱/滑油箱晃振试验的实施

  • 晃振试验中必须使用完整或者典型的燃油箱或者滑油箱结构包含其与机翼结构的连接部分开展晃振试验,且试验件安装方式应与实际安装情况一致,或者能代表实际的安装状态。燃油箱晃振试验的实施依据第25.965条(b)(2)、(b)(3)、(b)(4)款开展,滑油箱晃振试验的实施依据第25.1015条(b)款开展。

  • 国内参考标准有HB 6757-93《飞机燃油箱晃动和振动试验要求》[10]。需要注意的是,该标准主要是针对歼击机、强击机等军用飞机,在实施民用运输类飞机燃油箱或者滑油箱晃振试验时,应主要依据条款要求进行验证试验的规划和实施。

  • 3 风险点与审查重点

  • 3.1 风险点

  • 燃油箱和滑油箱晃振试验设计及验证的风险点主要是晃振试验未能实施开展,导致油箱结构评定不充分。

  • 燃油箱和滑油箱晃振试验实施环节的主要风险点是未按条款规定的试验条件、试验件状态开展试验验证,导致试验验证结论不充分。

  • 3.2 审查重点

  • 根据燃油箱和滑油箱晃振试验验证可能存在的风险点,在审查中应重点关注以下内容:

  • 1)“大的无支承(或无加强)平面”的界定是否正确,应重点审查申请人提交的燃油箱和滑油箱结构图样和数模等资料,审查金属整体油箱结构设计方案,包括油箱的壁厚、内部加强筋分割的平面尺寸等;

  • 2)油箱的容积量大小,即是否小于10gal(37.85L);

  • 3)晃振试验的试验大纲编制及适航审查。申请人应根据试验要求,编制详细的、可操作的试验大纲,审查组对申请人提交的试验大纲进行详细审查,确定试验件的状态与选取、试验的条件和基本参数设置、试验步骤、试验合格判据、试验异常情况处理等能预期表明对条款的符合性;此外审查代表在审查试验大纲时,重点关注试验中对油箱结构变形和裂纹的检测手段;

  • 4)在试验实施过程中,制造检查代表要对试验件开展制造符合性检查,开展试验前的制造符合性检查,确认试验件安装的正确性、试验设施安装与调试的状态,确认试验的开试状态满足大纲要求。试验过程中,由工程审查代表对试验进行目击和监控,确保申请人是严格按照试验大纲规定的参数设置和步骤进行试验,同时也对申请人的试验异常处理预案进行现场审查。试验中还应重点关注对油箱结构变形和裂纹的检测,例如申请人于试验开试之前在油箱结构外表面涂覆了其他便于肉眼观察的显示或显影涂层(如白垩粉末、滑石粉粉末等),可在试验现场目击涂层是否有变化,为审查代表判定试验结论提供辅助;

  • 5)晃振试验结论与条款判据的符合性判定,即无漏油或油箱壁过度变形,是否对油箱结构的完整性及密封性带来影响。具体的判据应包括内部液体未渗漏(该条判据不强调泄漏的量,只要有渗漏发生,就意味着不满足判据);油箱结构件无裂纹或塑性变形;结构件未松动或局部磨损;铆钉、螺栓等连接件未脱落或松动等。

  • 4 审查案例

  • 4.1 燃油箱晃振试验审查案例

  • 某型民用飞机型号合格审定审查组在审查该型飞机机翼结构合格审定计划时,发现申请人的强度专业在相关符合性验证工作中未选取25.965条的(b)款。申请人向审查组解释,该型飞机为整体金属油箱,该款判定为不适用。审查组后在会议纪要中要求申请人查找相关资料,明确该款的适用性。

  • 4.1.1 设计特征及符合性判定

  • 审查组与申请人进行了充分的讨论,认为该飞机设计上采用机翼整体金属油箱,材质为铝合金,左、右机翼油箱对称。单侧油箱划分为4个隔舱,油箱起始肋为机翼左、右2肋,结束肋为左、右21肋。其中,2肋~5肋空间为第一隔舱,5肋~10肋为第二隔舱,10肋~16肋为第三隔舱,16肋~21肋为第四隔舱;机翼2肋、22肋和机翼的前、后梁共同构成了整体油箱结构的边界。油箱布置如图1所示。

  • 图1 某型民用飞机机翼燃油箱布置示意图

  • 同时,该型飞机目前燃油箱容积是7 242L(1 913.13gal),容积明显大于10gal,同时油箱内部隔板分隔后的宽度和长度均大于15in(381mm),但构成整体油箱结构边界的机翼2肋腹板、22肋腹板和前梁腹板、后梁腹板及机翼壁板的厚度均大于0.05in(1.27mm)。

  • 依据该条款的符合性判据(即前文中2.1节),构成油箱的箱壁由厚度大于等于0.05in(1.27mm)的铝合金板组成,因此申请人认为,尽管25.965条的(b)款从设计上适用于该型民用飞机,但不需进行晃振试验;符合性方法上可选取MOC1(说明性文件)即可表明符合性。

  • 4.1.2 符合性结论

  • 通过申请人与审查组反复讨论,申请人充分列举设计特征并与条款判据进行对比,申请人明确了25.965(b)款对于该型民机的适用性,明确了“大的无支承(或无加强)平面”定义以及不需要进行晃振试验的情况,加深了对条款要求的理解。

  • 最终,申请人采纳了审查组意见,采用MOC1(说明性文件)方法,对25.965(b)的符合性进行说明。

  • 4.2 滑油箱晃振试验审查案例

  • 某民用飞机为了保证发动机正常工作,设置了滑油及其冷却系统。为此,需根据CCAR-25-R4第25.1015条要求,考虑滑油箱晃振试验的符合性表明。

  • 4.2.1 设计特征及符合性判定

  • 滑油箱为金属结构箱体,工艺方式为铝合金板材焊接成形。为保证滑油箱结构的刚度和强度,箱体内部设置了加强隔板,滑油箱箱壁分隔后的宽度小于381mm,长度方向上大于381mm。构成滑油箱箱壁的铝合金板材厚度为2.5mm,滑油箱容积为40L。

  • 参照前文中2.1节的符合性判据,并参考机翼燃油箱的审查经验,审查组和申请人经讨论,判定该滑油箱不需开展晃振试验。

  • 4.2.2 符合性结论

  • 申请人通过与审查组的讨论,结合燃油箱的符合性实践,选用MOC1(说明性文件)方法,对25.1015(b)条款的符合性进行说明。

  • 5 结论

  • 本文针对燃油箱和滑油箱晃振试验,梳理了对应条款的相关要求及国外局方相关指导文件中对适用性的界定。梳理了燃油箱和滑油箱晃振试验的适用性条件,总结了不需开展晃振试验的具体要求。针对燃油箱和滑油箱晃振试验,提出了审查过程中的风险预防措施与审查重点。同时结合某型飞机的具体审查案例,对燃油箱晃振试验的适用条件及审查判据的应用进行了具体案例式讨论,介绍了较为详细的审查过程,为其他民用运输类飞机燃油箱和滑油箱晃振试验具体设计验证和适航审查工作的开展提供了借鉴和指导。

  • 参考文献

    • [1] 翟冰冰,屈昕,田傲.大型运输类飞机滑油箱晃振适航验证研究[J].甘肃科技,2019,35(15):32-33.

    • [2] 李威锋.飞机燃油箱晃振动力学与振动疲劳分析[D].南京:南京航空航天大学,2014.

    • [3] 吴早凤,黄晓霞,秦利军,等.储液油箱晃振响应分析[J].教练机,2014(03):65-68.

    • [4] 李宝方.飞机燃油箱晃振试验[J].航空标准化与质量,1992(1):16-20.

    • [5] 叶休乃.飞机油箱的晃动或晃振试验问题综述[J].航空标准化与质量,1986(1):45-49.

    • [6] 中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S].北京:中国民用航空局,2011.

    • [7] FAA.Certification of transport category rotorcraft:AC 29-2C[S].Washington:FAA,2008.

    • [8] FAA.Certification of normal category rotorcraft:AC 27-1B[S].Washington:FAA,2008.

    • [9] FAA.Powerplant guide for certification of part 23 airplanes and airships:23-16A[S].Washington:FAA,2004.

    • [10] 中国航空工业总公司.飞机燃油箱晃动和振动试验要求:HB 6757-93[S].北京:中国航空工业总公司,1994.

  • 参考文献

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    • [5] 叶休乃.飞机油箱的晃动或晃振试验问题综述[J].航空标准化与质量,1986(1):45-49.

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    • [9] FAA.Powerplant guide for certification of part 23 airplanes and airships:23-16A[S].Washington:FAA,2004.

    • [10] 中国航空工业总公司.飞机燃油箱晃动和振动试验要求:HB 6757-93[S].北京:中国航空工业总公司,1994.

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