复合材料机身修复面临的挑战

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 飞机复合材料部件的修复现在已发展为一门艺术，但是正如他们说的，修理增强塑料机身却是一种全新的球类游戏。随着两大领先的商务飞机制造商在其最新的飞机机身（波音787和空客A350 XWB）上采用复合材料，标准制订者和修理人员正面临着一个修理方面的重大挑战。 这些内部高压、饱含湿度的“管子”在修理方面存在着许多不确定性，它们是一架飞机是否安全的关键部件，是不允许出现故障，或者有任何妥协的。机身与由薄的表皮和蜂窝芯材构成的平面结构是非常不同的，后者是复合材料飞机部件修理厂目前为止的主要业务。而机身呈曲面，由单体层压板制成，在某些部位还可能非常厚。它们通常是采用纤维缠绕或纤维铺设工艺制成的，因此它们要依赖，至少一部分完整性，要依赖于连续长纤维。最重要的是，它们的设计要求是能够承受连续的内部高压循环。 显然，对于在六英里（约9600米）高处保护着内部乘客的结构，它的修复必须是高质量的，并提供最高等级的质量保证。然而，由于这种可以高度定制的材料固有的可变性，再加上修理技工的水平不一，要长期保证这种高质量的维修是有困难的。 问题还没有解决 尽管飞机制造商对此保持乐观态度，但是这一行业在一定程度上还存着问题，专家们也认为不是所有的问题都得到了解决。 例如，最近，美国审计总局（GAO）发布了一份报告，表达了对于复合材料在飞机制造上不断加快的应用的担忧。GAO强调了修理问题，并列举：检测损伤的难度；复合材料和修理技术的标准化程度有限；复合材料技术工人的培训水平和意识水平；由于实际运行经验有限，而缺乏飞机复合材料的长期性能数据等。 还有很重要的一点，适航机构对于粘接式的修理方式仍然很谨慎，而且一直不愿对它们进行认证。 波音和空客可能过于乐观了一点，它们要么声称已经解决了所有问题，要么说正在顺利的解决之中。两家公司都保证复合材料机身无论如何都比金属机身更坚固，更不容易损坏。但是，经验表明，有些损坏是不可避免的，特别是对于处于较低位置的机身部位，很容易受到行李载荷的冲击，产生凹坑，或者受到其他服务车辆的冲击。如果发生了这些损伤，飞机运营商会要求进入修理程序，这些程序制定的很全面，而且经过批准和认证。 波音说采用与他们在金属飞机上所使用的相同的修理方法——基本上就是栓接的金属补丁，维修人员可以令一架遭受严重损坏的飞机重新飞起来。该公司的B787梦幻飞机去年在日本ANA航空公司开始服役。栓接的修理方法具有操作快捷的优势，因此经常可以在两次航班之间的正常的地面周转期内完成。飞机修理技术人员对此修理方式非常熟悉，能够使用传统的工具和设备进行修理。 粘接和栓接 栓接补丁的修理方法可能对全世界的飞机修理技术人员都具有吸引力，他们对金属部件的栓接修理很熟悉。但许多复合材料专家却对此不屑一顾。 领先的飞机部件维修服务商Lufthansa Technik（LHT）公司的总工程师Christian Sauer是这方面的专家，他告诉《增强塑料》（Reinforced Plastics）杂志：“或许栓接式修理方法既成熟又快捷，但如果法规方面的障碍能够消除，我们倾向于采用粘接的修理方式。毕竟，在光滑的连续纤维铺设层上钻孔是一件难以启齿的事。但是除了用作表面修复，粘接修理还没有得到适航机构的认可。” 波音认识到了粘接的好处，于是在B787的《结构修理手册》（Structural Repair Manual）中引入了一种基本的粘接修理方式。它临时性的“邦迪（band aid）”式修理系统可以使一架遭受微创的飞机快速恢复飞行，从而避免了着陆。实质上，这里采用的是一种复合材料补丁，而不是金属的，避免了穿透式的栓接。波音说，它的系统可以在半个小时内完成补丁修理，而传统的粘接修理可能需要花费 24个小时或者更久。 在使用中，预固化的复合材料补丁是用环氧树脂粘接在受损部位的外侧的，一个化学加热包用来固化树脂，这是一种可以在较低温度下进行固化的配方。这种修理方法是为了在必要情况下用在门上而设计的，能够保持充足的强度，使飞机能够无故障飞行；随后再进行永久性的修复。这主要是为了解决轻微的损伤，而不适用于载荷路径完整性出现风险的严重情况。永久修复通常是在飞机的大修期间在条件可控的机库内进行的。 稍后的更永久性的解决方案很可能会用到粘接材料插件或＂插头＂，与补丁不同。复合材料行业喜欢采用这种方法，但是这种修理过程需要花费较长的时间，而且很容易造成非计划性停机。嵌接修理本身非常耗费时间，而且载荷会从嵌接点的尖端扩散到整个接触面上。它们需要繁琐的准备工作、仔细的裁切和铺放复合材料层、一定时间的加热过程，以及充足的固化时间。但是，对于联邦航空局（FAA）和欧洲适航和安全管理局（EASA）来说，拒绝对粘接修理进行认证的主要原因还是粘接质量缺乏稳定性。 正如一位业内人士点出的：“目前的困难是无法确切的知道粘接后的强度。还没有确定的方法可以在不破坏粘接物的情况下测试它的强度，现在还只能依赖于试件或样品，而它们不能完全代表实际情况。” 同样的，LHT的Sauber一方面佩服飞机制造商为使大规模粘接修复方法在主要的飞机结构上的应用得以认证而作出的努力，一方面也提出了疑问：这种修理方式是否在世界任何地方或无论被谁采用，都能一样的达到所需的标准。他说这是认证的核心难题。 这件事的核心是可变性，即所用材料以及技术人员技术水平的可变性。复合材料顾名思义是不同材料的混合物，拥有非常广泛的组合可能，在修理过程中要与原来的材料完全匹配是不太可行的。维修机构很少会去管理各种订单的交付时间、存储要求、加工方法等。同时，修理技工在这方面的背景、经验、培训和能力的差别很大。修理车间必须通过认证才能进行飞机复合材料部件的修理，而对单个的技术工人目前则没有这一要求。 相关机构正在努力克服这些缺点，以使机身的粘接修复可以满足适航标准。波音意识到在修理中要与原来的复合材料精确匹配是很困难的，从而研发了一种单一的可兼容的碳纤维预浸修理料，据说它可以用在整个B787机身上。也就是说，这使得维修部门不再需要存储和管理一系列不同的材料。 但人工修理过程仍然具有难以克服的可变因素。该行业的许多人认为，提高培训水平是解决这一问题的关键。例如，Abaris Training Resources公司总裁Michael Hoke确定，在航空航天结构（包括机身上的门和窗）中采用厚的固体层压材料是满足这一需求的驱动因素之一。他指出，处理75到100层的可能厚达一英寸的固体层压板，与修复较平的夹芯结构部件上可能仅0.05英寸厚的普通面板是非常不同的。技术人员需要熟练掌握加热方法，这需要采用特殊的热粘合剂，从背面进行热固化，再慢慢的倾斜，确保加热整个层压板。 与此相关的一个问题是修复尺寸。即使是小面积的损坏都可能需要进行全面的修复，因为斜接接头需要“跳出”受损部位，以达到所需的穿过整个厚度的斜面梯度。技术人员需要大量的培训和实践，才能拥有一定的技巧和技能来准备和实施斜接修复，从而得到一个美观平整的表面。许多人认为，要让适航管理机构相信粘接修复的效果，培训过程还需要一个针对独立的修理人员的认证系统。 另一个不同于可变性的问题是飞机维修人员的 “圣经” 《结构修理手册》（SRM）中一系列关于已被证实的有详细描述的修复条款。对于B787，波音的解决方案从简单的补强/粘接补丁修复到采用替换材料在高温下的大型（可达一平方米）粘接维修。后者通常需要在环境条件可控的基础设施内进行。随着修复方式的发展和实践，更多维修经验将被添加到SRM中。 技术前景 尽管系统性的改进、修复质量的可变性和不确定性在一定时间内可能仍然是一个难以解决的问题。实际上，人们越来越相信，手工处理无法解决这一问题，最终它必将被自动化解决方案超越。有观点认为，只有自动化修复方案才可能连续且稳定的达到标准要求。 德国EADS创新公司（EADS Innovation）复合材料技术运营总监Matthew Beaumont认为，自动化可以减轻人们对粘接结构修复的担忧。他认为现在的维修过分依赖螺栓。他说：“作为一名先进复合材料结构的开发者，即使只是想到在这些经过优化并精确设计和制造的组件中钻那么多孔，我心里就很难受。” EADS创新公司一直致力开发自动化修复方案，最终的修复循环可能包括损伤检测、表面准备、修复补丁的制作、补丁的应用和最后的质量检查。这一自动化修复项目的合作开发者包括Lufthansa Technik、欧洲直升机公司（Eurocopter）和Cassidian空气系统公司。 与此同时，德国航空航天研究中心（German Aerospace Research Centre）DLR一直在研究树脂注入修复的自动化工艺。这一研究的目的是开发斜接修复的应用功能，包括用数控铣床消除损伤、浸渍铺放到位的干燥预浸料以及随后的固化。DLR说，这种方法特别适合弯曲部位，可以降低复杂性，不需要制造特殊的模具。 其他公司则着眼于修复循环的特定环节。德国的激光专家CleanLASER和SLCR各自对修复部位的预处理系统进行了研究。 CleanLASER的碳纤维复合材料粘合表面预处理系统，是一个以激光为基础的光学加工系统，可用来逐层消除损伤。据说这一系统可以得到极佳的粘接修复结果，不会产生磨蚀或化学腐蚀。同时，SLCR正与英国的GKN公司合作，开发它自己的用于损伤部位预处理的自动化设备。 GKN公司的技术副总裁John Cornforth说，他们的激光消融技术是一种非手工、免接触的工艺，可以通过融化树脂去除修复部位的材料，留下来的易断的纤维可以在之后的过程中擦掉。损坏的材料被精确且干净的去除后，受损部位就可以用裁切好的尺寸精确的补丁或插片来修复了。 在材料去除过程中，不会在结构上施加任何压力或振动，因此，对结构的强度或完整性不会产生不良影响。Cornforth报道了该项目第一阶段的可喜成果，双方共同生产出了能够预处理修复部位的原型设备。这个原型设备现在安装在GKN公司位于英国怀特岛Cowes市的复合材料研究中心（Composite Research Centre）内。 该项目的第二阶段已在进行之中。第二阶段将对设备作进一步的开发，以应对更复杂的损伤部位，这里可能暗藏着一些障碍，例如框架和梁。激光技术考虑到了这些因素，因此能够为梯形或者固定角度的斜接修复作好受损部位的预处理。 Cornforth告诉《增强塑料》（Reinforced Plastics），虽然这项技术还处于起步阶段，但他设想最终是可以将多种修复功能集成在一个单一的自动化设备内的。激光消融过程会与原始部件的CAD图像相链接，从而准备好预制的修复补丁。各种无损评价（NDE）技术可以用于损伤的快速检测和评估。 另一个技术上比较先进的环节是修复循环的加热和固化部分。其中一个比较特殊的关注点就是传统热粘合技术的进一步发展，例如，HEATCON复合材料系统公司（HEATCON Composite Systems）和Zymac织物公司所开发的系统。后者生产的加热毯含有小的独立热电池，因此，不论在大型修复部位下放置什么结构的散热片，都能对整个修复材料进行更加均匀的加热。同时，HEATCON已经开发出一种可拉伸的加热毯，用于曲面周围的加热。 其他加热方法也在研究之中，例如感应加热和在复合材料修复补丁中加入加热元件。例如，地面支持专家Sunaero航空公司正在开发一种手持式红外装置，用来加快修复循环的固化过程，不让这些材料吸收过多的热量。一种专门为纤维复合材料开发的装置可以会在某些特定应用中取代加热毯。其他可能的加热方法包括微波耦合加热毯和含有导电网的修复补丁，这种补丁本身可直接加热。 更深入的一个技术重点是油漆表面的管理。从大型复合材料表面除漆是很复杂的，因为适用于金属飞机结构上的化学脱模剂不仅会腐蚀油漆，也会腐蚀下面的复合材料。油漆制造商们有意解决这一问题，即在面漆和底漆间加入一个中间层，这个中间层会溶解在温和的脱模剂中，既不会令面漆也不会令复合材料降解。即便如此，在产生损伤的地方，仍然需要手工打磨修复部位。 然而，再重申一次，激光可能会提供一种解决方案。Lufthansa技术公司一直在研究如何使用控制头上的激光在机身表面移动。LHT说，新型激光能够以迄今无法实现的速率脱除油漆，同时可以确定哪一层被除去了。这就为我们描绘了一幅前景，即未来的机器人系统能够从中等大小的修复部位甚至整个复合材料飞机上脱除任何东西。虽然LHT目前已被迫把这项工作暂停，因为公司决定关闭其位于汉堡的喷涂工厂，但脱除的概念仍然有着一定的发展前景，可能会在其他什么地方得以采用。 检测损伤 复合材料有一个特殊的问题：在经过撞击之后，难以确定层压板是否受到损伤，因为其表面不会留下任何痕迹。金属受到“伤害”后会留下凹痕，而复合材料在低能量冲击下可以回弹，因此，层压板下面几层造成的损伤可以隐藏在看似没有受损的表面下。 要可靠且快速的检测飞机的损伤就需要紧凑、便携的无损检测设备。波音公司在开发一种手持式超声波损伤检测器。据该公司介绍，该设备可以检测层压板次表面的损伤层，而且足够清晰，可以让技术人员判断出飞机是否可以正常飞行。同样，挪威的超声专家DolphiTech正与EADS创新公司合作，开发一种手持式超声波传感器，据说它能够看穿8-10毫米的复合材料层压板，检测出层压板的内部缺陷。两家公司的目标之一是开发一种带有移动无损检测工具的扫描摄像系统。 有一个欧盟资助的被称为INDUCER（（用合适的复合材料补丁进行飞机智能维护的感应加热和健康监测方案（Induction Heating and Health Monitoring Solutions for Smart Aircraft Maintenance Using Adapted Composite Patches））的项目，其主要目标就是将监测和复合材料修复的感应加热结合起来。在这个项目中，TWI（以前的英国焊接研究所）和GMI航空公司合作开发了一种智能补丁的概念，嵌入修复材料层的磁致伸缩传感器网不但可以加热补片进行固化，在之后的监测模式下，还可以对压力做出磁性反应。因此，固化过程中的应力以及修复部位在服务过程中的结构完整性是很可能采用单一的网格层方法进行监测的。 其他技术领域的一些发展还解决了在损伤发生时，如何判断受影响的层压板是否“干净”或已被污染的难题，例如，被液压油或燃料污染。即使很轻微污染都会严重损害粘结效果。许多公司，包括Lufthansa Technik公司，正致力于开发可靠的污染检测器。 然而，科技不能提供所有的答案。总会有些时候或在某些情况下，可能会需要熟练的手工技能，从而使培训和实践锦上添花。培训的需求不仅仅针对复合材料技术人员。例如，要让机上和地面工作人员了解，即时汇报机身和其它物体之间任何意外的接触是非常重要的，无论损伤看起来多么轻微，这样才有可能检查出受到冲击的部位是否有损坏。对地面上的工作人员来说，这一点却很难做到，因为服务车辆的驾驶员既不知道也不关心机身是复合材料的还是金属的，因此，他们可能不会报上报“碰撞”情况，从而导致肉眼看不到的损伤。 至少在目前，仍然存在许多不确定性。一个比较大的问题就是，如果飞机需要的大修超出了SRM的范围，那该怎么办？几乎没有例外，这将是一种飞机停航待修（AOG）的情况，因此时间紧迫。可以肯定的是，在新飞机的早期服务阶段，飞机的数量还不是很多时，飞机制造商和他们的合作伙伴在遇到这种情况时，会非常积极的支持运营商，他们将拿出最大的力量来尽快的制定出现场维修方案。 理想情况下，独立的维护人员和其他有关专家一样，都可以得到制造商的应力数据和其他计算资料，这样他们也可以制定出可行的维修方案。毫无疑问，维护人员、设计机构（飞机制造商）以及可能的适航当局之间的沟通，在这些早期阶段相对来说是比较畅通的。但随着飞机数量的增多，这种情况可能会发生改变。最终，可能会有几百架复合材料机身的飞机投入运营。 飞机制造商们预计，修复方式以及相关基础结构的演变，将与飞机数量一样保持快速的增长。只有时间会告诉我们，这种观点是否正确。显然，在商用飞机的机身上采用复合材料是一个大胆之举，通过降低飞机重量和燃料的用量可以获得利益——但只在维护风险可以控制的情况下。 最大的风险 可以说，最大的风险是，从飞机制造厂新出厂的结构良好的机身，在长期的连续的维修之后，其完整性会逐步降低。没有人知道一个飞机机身能够承受多少次不同方式的修理，然后机身强度会逐渐降低，最糟糕的情况下，还有在高空中爆炸减压的风险。英国制造商DeHavilland在半个多世纪以前开始制造喷气客机时就已经遭受了了这一可怕的后果。那时，DH公司大胆设计的几架彗星飞机由于金属疲劳导致了灾难性的损失。诚然，复合材料的失效很可能是渐进式的，毁灭性更小，但对于飞行在高处的高压机身来说，没有人可以十分肯定。 幸运的是，自彗星事件之后，风险管理已被提上日程。然而，在未来的几年里，减少与机身维修相关的风险因素将是复合材料最重要的挑战之一。显然，所有人都应该谨慎行事，保持紧密的沟通与合作，使这种优异的材料保持住它的好名誉，特别是飞机制造商及其合作伙伴、飞机运营商，适航监管机构和维修机构。(end)

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