先進復合材料已經大量應用于民用飛機結構中, 空客A380 飛機復合材料用量占飛機結構重量的24%（不含G L A R E 層板）, 波音787 飛機復合材料用量占飛機結構重量的50%，空客正在研制的A350超寬體客機復合材料用量提高到了52%，在通用航空領域許多小飛機的復合材料用量更高，甚至達到了結構重量的90% 以上，可以看出復合材料的應用已經成為民用飛機實現其先進性、經濟性和舒適性的重要技術途徑之一。然而，由于復合材料和傳統的金屬材料相比，其材料和應用的成熟度較低，如何保證復合材料在民機上應用的安全性，如何滿足民用飛機的適航性要求，已經成為各國航空適航管理當局、航空工業、飛機設計與制造企業及復合材料供應商非常關注的問題，近20 多年來隨著復合材料用量的逐步增大，美國聯邦航空管理局（F A A）、運輸部和工業部門組織了大量的研究，在這些研究工作基礎上，形成了與復合材料和結構相關的咨詢通報、政策聲明、 技術報告及工業標準、方法和手冊等文件體系，進一步明確了復合材料在民機上應用的適航審查技術要求和程序要求，推薦了可滿足適航審查要求的工作指南。這些文件對美國復合材料在民機上的應用起到了關鍵的作用，歐洲也部分采用了美國的這些成果，對相關適航審查文件進行了修訂。盡管這些成果仍在不斷地完善和推廣應用中，但它們代表了發展的方向。

      我國的大飛機項目已經啟動，由于我國在民用飛機研制方面基礎薄弱，除在技術上存在較大挑戰之外，如何通過適航審查（尤其是國際適航審查）并獲得相關適航證，從而突破美歐在大飛機領域的壟斷和壁壘也是我國發展大飛機必須面對的重大問題，盡管我國民航總局（C A A C）采用的民機適航體系和標準與美國的基本相同，但正如劉大響院士所講“雖然我們清楚飛機符合什么標準才能進入民航領域進行經營性飛行直至退役，但我們不清楚這些標準是通過何種試驗、如何制訂出來的，進而也不清楚如何才能設計、制造出符合適航標準的民用飛機”。我國的大飛機正在開展初步的設計和研制方案論證，據了解其復合材料的用量可能占結構重量的20% ～ 50%，那么，如何設計和制造出符合適航標準的復合材料結構則更具挑戰性。盡管這一問題受到了國內高度關注，但在民機適航審定和取證過程及方法中仍存在一些模糊或混淆的概念，對復合材料應用中的與適航審定和取證相關的技術要求和程序要求了解較少，因而，到目前為止我國尚未形成解決復合材料應用中適航問題的規劃、計劃及指導性文件體系。

      本文對民機適航審定和取證中涉及材料和復合材料的有關內容進行了介紹，對美國與復合材料應用相關的適航審查技術要求和程序要求及其發展演變趨勢進行了綜述，以期為我國復合材料在大飛機上應用的適航思路提供借鑒。

適航管理和“材料取證”

       適航性是指航空器適合在空中飛行的性質或性能，只有滿足適航性要求的航空器材才允許使用和飛行。適航管理由各國政府的適航當局負責，適航當局負責適航管理文件體系（如適航規章和標準等工作）的制定、航空器適航符合性審定和監督等工作，適航管理的范圍涵蓋航空器的設計、生產和使用的全壽命周期。我國的適航管理體系基本與美國的相同，即在航空產品設計和發展階段對適航符合性審定后，發放型號合格證（Type Certification，TC）；在產品生產階段，對航空器制造廠的生產適航符合性進行審定后，發放生產許可證（Production Certification，P C）；在產品使用和服役階段，對注冊的民用航空器進行適航符合性審查后，發放適航證（Certification ofAirworthiness，CoA）。美國適航規章FAR21（中國CCAR21）部給出了上述合格證的審定辦法和程序。 

       航空器設計、生產和使用單位向適航當局提出航空器T C、P C 或C o A 申請并接受適航當局的取證，顯然，申請人所獲得的合格證所針對的對象是航空器，但是我們經常會在一些國內文獻中看到“材料取證”或“復合材料取證”等詞語，也經常聽到“復合材料等新材料必須首先取證后才能用于民用飛機”、“國外材料已經完成適航取證并在民機上使用，我國大飛機研制時可以直接選用，國內材料一般未完成適航取證，不能在大飛機上直接選用”的觀點。事實上，適航當局主要負責TC、PC 和CoA三大類適航證書的審定和頒發，不會對某個材料進行所謂的“適航審定”，更不會給某家公司的材料頒發“適航合格證”。“材料取證”的說法一種出處可能是來自于對國外文獻中“Material Qualification” 的誤譯，另一種出處可能來是自國外某家材料供應商展示的其材料在某飛機應用的“證書”。

復合材料在民機上應用的適航要求及實施途徑和方法

       由上節分析可知，對于一個新的飛機型號，設計者首先要向適航當局申請適航型號合格證（T C），適航當局負責對申請人的型號設計和發展進行全面的適航符合性審定，審定的依據為適航當局頒發的飛機適航標準，美國F A A 的適航標準和中國C A A C 的適航標準完全一致：F A R25（C C A R25）部為運輸類飛機適航標準，一般指大飛機；FAR23（C C A R23）部為正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航標準，一般為通用航空用飛機或小飛機等；F A R27 和F A R29（C C A R27 和C C A R29）部為旋翼類飛機適航標準，一般指直升機。這些適航標準對飛機各系統給出了全面系統的適航要求，但為了便于執行，適航當局會根據具體的系統和單元制定相應的咨詢通報（A C）和政策聲明，以提供可滿足適航標準要求的實施途徑和方法，T C 申請人必須按照上述要求制定完善的設計、分析和試驗計劃和方案，在適航當局相關機構的審批和見證下完成這些工作，并提供能夠滿足適航標準和相關要求的全部證據，提交適航當局進行審定。

       材料的相關適航要求主要體現在FAR25.603 和FAR25.613(FAR23.603和FA R23.613) 節中，隨著復合材料在民機上的應用和發展，美國于1978年7 月10 日頒布了咨詢通報AC20-107“復合材料結構”，這是一份指導性文件，該文件在符合F A A 有關原則的前提下，對復合材料飛機結構制定了一個可以接受但不是唯一的驗證方法，該方法類似于今天被普遍接受和使用的復合材料結構積木式驗證方法。該文件適用于FAR23、25、27 和29 涉及的所有航空器的復合材料結構。1984 年4 月25 日F A A頒布了新版本的咨詢通報A C20-107A，對其中的某些方面作了重要的修改和完善。此后，此文件成為制定滿足適航要求的復合材料結構設計、分析和試驗方法的依據。另外，1989 年F A A 頒發了咨詢通報A C21-26“復合材料結構制造質量控制”，從而構成了比較完整的適航技術要求和質量控制要求。

       在實際操作層面，T C 申請人首先要按適航要求選用已有的型號材料規范或起草新的材料規范（該規范常被稱為用戶材料規范），在對供應商材料進行篩選的基礎上，按F A R25.603和F A R2 5 .6 1 3 ( F A R2 3 .6 0 3 和F A R 2 3 . 6 1 3 ) 、A C 2 0 -1 0 7 A 和A C21-26 的要求編制對供應商材料進行“Q u a l i f i c a t i o n”的計劃，“Qualification”是TC 申請人為滿足適航審查需要所制定和實施的對材料全面性能進行多批次取樣試驗和驗證的活動，其目的是確定材料性能的變異性（或穩定性）、獲得具有一定置信度和破壞概率的材料許用值和設計值以及材料性能可接受的極限值。

       從上述活動的內容和目的來看“Qualification”應該譯為“合格性鑒定”（簡稱為“鑒定”）。鑒定計劃應報適航當局相關機構審批，并在適航當局相關機構見證下由T C 申請人負責執行，計劃執行結束后，T C 申請人負責凍結最終的材料規范狀態和相應的復合材料及結構制造工藝規范，并將所有文件和數據整理報適航當局有關機構進行適航符合性審查。審查通過后，T C 申請人會將該供應商列入其合格供應商目錄或向供應商頒發合格供應商證書或產品鑒定合格證書。所謂的“材料取證”實際上是由TC 申請人組織的“材料鑒定”，材料供應商手中的“證書”實際上是由T C 申請人頒發的合格供應商證書或產品鑒定合格證書。

       由于材料鑒定由TC 申請人負責進行，因此實施過程形成的數據庫、材料規范和工藝規范等知識產權一般歸T C 申請人所有，T C 申請人一般不愿將這些數據和知識與其他航空型號設計和制造商共享。

        對材料供應商來講，在進入材料鑒定計劃之前，應凍結樹脂的配方和預浸料的工藝，形成完整的過程控制文件（P C D），其中包括原材料控制、樹脂工藝和性能控制、預浸料工藝和性能控制或相應的產品規范和工藝規范（這些規范一般稱為供應商規范），這部分的知識產權一般也歸供應商所有，T C 申請人在必要時可引用這些規范以保證材料的可追溯性，適航當局在進行適航符合性審查時有權利檢查這些文件。國外傳統的復合材料鑒定基本流程如圖1 所示。

到目前為止，國外復合材料在民用飛機上的應用基本上都采用了上述鑒定方法和流程。在這種模式下，如果A 材料通過了甲T C 申請人的鑒定并在該公司航空器上得到了應用，并打算在乙T C 申請人的型號上應用，為了滿足適航審查，乙T C 申請人必須進行同樣的材料鑒定工作，圖2 表示了這種各不同T C 申請人獨立進行數據測試和鑒定的模式。這也就是為什么國外在民機上已經應用的材料，不能直接被我國大飛機直接選用的原因，從這方面講，國外和國內材料在我國大飛機上應用所需進行的材料鑒定和結構驗證工作量是完全相同的。

盡管上述這種模式可以滿足適航當局對T C 申請人進行適航審定的要求，但每個T C 申請人都必須單獨對材料進行鑒定、形成獨立的不能共享的數據庫和規范，其他T C 申請人即使使用同一種材料也必須重復材料鑒定工作，這就造成了經費的浪費和時間的耽誤，這一點對波音和空客這樣的大公司可能不算什么，但對于從事F A R23 部所涵蓋的小型航空器設計和制造公司來講，這些浪費幾乎是不可接受的，因此，復合材料鑒定模式的改變首先是從FAR23部涵蓋的航空器領域開始的。

滿足FAR23 部要求的復合材料鑒定、等同和數據庫共享方法 

       從1994 年開始在NASA、FAA和美國70 家企業、學術機構和政府機構組織開展了AGATE（AdvancedGeneral Aviation TechnologyExperiments）項目，目的是在滿足F A R23、A C20-107 Ａ和A C21-26要求的前提下，發展一種通用的復合材料鑒定和性能等同判斷方法和規則，建立共享的數據庫，大幅度降低材料鑒定的成本和時間，加快通用飛機設計、發展進程和適航審定。在2001 年4 月AGATE 計劃結束時形成了一套完善的方法，并由F A A 出版了DOT/FAA/AR-00/47（2003年修改完善后改為DOT/FAA/AR -03/19）“聚合物基復合材料體系的材料鑒定和等同”的技術文件，之后AGATE 作為這一方法和共享數據庫運營者為許多材料供應商和航空器設計者提供了服務。2003 年FAA 小飛機理事會將 “聚合物基復合材料體系的材料鑒定和等同”作為政策聲明出版發表。

       2005 年N A S A 的技術人員認識到A G A T E 的方法應該從通用航空領域推廣到整個航空行業，于是建立了一個永久性機構（National Center for Advanced Materials Performance，NCAMP），與CMH-17 一起來繼續優化這些方法，并致力于這些方法的發展和應用，同時也成為共享數據庫的運行維護者和服務提供者。

       為了形成共享的標準化的行業材料規范和工藝規范，F A A 還制定出版了預浸料和復合材料規范及工藝規范編制指南，這些指南包括：

      （1）DOT/FAA/AR-02/109“碳纖維/ 環氧單項預浸料材料規范的推薦編制標準和指南”； 

      （2）DOT/FAA/AR-02/110“纖維增強聚合物基復合材料工藝規范、指令和控制文件的編制 ”；

      （3）DOT/FAA/AR-06/10“碳纖維/ 環氧織物預浸料材料規范的推薦編制標準和指南”；

      （4）DOT/FAA/AR-06/25“液體成型碳纖維復合材料材料和工藝推薦編制標準和初級指南”。

       盡管目前這些方法尚未在FAR25 部涵蓋的運輸機類飛機上應用，但隨著N A S A、F A A 和有關工業部門的努力，可望未來在大飛機領域得到應用，從而降低成本，加快研制與適航審定的進度。

結束語 

       本文對民機適航審定和取證中涉及的復合材料的相關技術要求、程序要求、實施途徑和方法及其發展演變趨勢進行了綜述，希望對我國復合材料在大飛機上的應用和適航審定具有一定的借鑒作用。(end)