先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)大量應(yīng)用于民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中, 空客A380 飛機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的24%（不含G L A R E 層板）, 波音787 飛機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%，空客正在研制的A350超寬體客機(jī)復(fù)合材料用量提高到了52%，在通用航空領(lǐng)域許多小飛機(jī)的復(fù)合材料用量更高，甚至達(dá)到了結(jié)構(gòu)重量的90% 以上，可以看出復(fù)合材料的應(yīng)用已經(jīng)成為民用飛機(jī)實(shí)現(xiàn)其先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的重要技術(shù)途徑之一。然而，由于復(fù)合材料和傳統(tǒng)的金屬材料相比，其材料和應(yīng)用的成熟度較低，如何保證復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的安全性，如何滿足民用飛機(jī)的適航性要求，已經(jīng)成為各國(guó)航空適航管理當(dāng)局、航空工業(yè)、飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造企業(yè)及復(fù)合材料供應(yīng)商非常關(guān)注的問(wèn)題，近20 多年來(lái)隨著復(fù)合材料用量的逐步增大，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（F A A）、運(yùn)輸部和工業(yè)部門(mén)組織了大量的研究，在這些研究工作基礎(chǔ)上，形成了與復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)的咨詢通報(bào)、政策聲明、 技術(shù)報(bào)告及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、方法和手冊(cè)等文件體系，進(jìn)一步明確了復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的適航審查技術(shù)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(duì)美國(guó)復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用起到了關(guān)鍵的作用，歐洲也部分采用了美國(guó)的這些成果，對(duì)相關(guān)適航審查文件進(jìn)行了修訂。盡管這些成果仍在不斷地完善和推廣應(yīng)用中，但它們代表了發(fā)展的方向。

      我國(guó)的大飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，由于我國(guó)在民用飛機(jī)研制方面基礎(chǔ)薄弱，除在技術(shù)上存在較大挑戰(zhàn)之外，如何通過(guò)適航審查（尤其是國(guó)際適航審查）并獲得相關(guān)適航證，從而突破美歐在大飛機(jī)領(lǐng)域的壟斷和壁壘也是我國(guó)發(fā)展大飛機(jī)必須面對(duì)的重大問(wèn)題，盡管我國(guó)民航總局（C A A C）采用的民機(jī)適航體系和標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)的基本相同，但正如劉大響院士所講“雖然我們清楚飛機(jī)符合什么標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)入民航領(lǐng)域進(jìn)行經(jīng)營(yíng)性飛行直至退役，但我們不清楚這些標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)何種試驗(yàn)、如何制訂出來(lái)的，進(jìn)而也不清楚如何才能設(shè)計(jì)、制造出符合適航標(biāo)準(zhǔn)的民用飛機(jī)”。我國(guó)的大飛機(jī)正在開(kāi)展初步的設(shè)計(jì)和研制方案論證，據(jù)了解其復(fù)合材料的用量可能占結(jié)構(gòu)重量的20% ～ 50%，那么，如何設(shè)計(jì)和制造出符合適航標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)則更具挑戰(zhàn)性。盡管這一問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)高度關(guān)注，但在民機(jī)適航審定和取證過(guò)程及方法中仍存在一些模糊或混淆的概念，對(duì)復(fù)合材料應(yīng)用中的與適航審定和取證相關(guān)的技術(shù)要求和程序要求了解較少，因而，到目前為止我國(guó)尚未形成解決復(fù)合材料應(yīng)用中適航問(wèn)題的規(guī)劃、計(jì)劃及指導(dǎo)性文件體系。

      本文對(duì)民機(jī)適航審定和取證中涉及材料和復(fù)合材料的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了介紹，對(duì)美國(guó)與復(fù)合材料應(yīng)用相關(guān)的適航審查技術(shù)要求和程序要求及其發(fā)展演變趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，以期為我國(guó)復(fù)合材料在大飛機(jī)上應(yīng)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(zhì)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(guó)政府的適航當(dāng)局負(fù)責(zé)，適航當(dāng)局負(fù)責(zé)適航管理文件體系（如適航規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)等工作）的制定、航空器適航符合性審定和監(jiān)督等工作，適航管理的范圍涵蓋航空器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的全壽命周期。我國(guó)的適航管理體系基本與美國(guó)的相同，即在航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)和發(fā)展階段對(duì)適航符合性審定后，發(fā)放型號(hào)合格證（Type Certification，TC）；在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，對(duì)航空器制造廠的生產(chǎn)適航符合性進(jìn)行審定后，發(fā)放生產(chǎn)許可證（Production Certification，P C）；在產(chǎn)品使用和服役階段，對(duì)注冊(cè)的民用航空器進(jìn)行適航符合性審查后，發(fā)放適航證（Certification ofAirworthiness，CoA）。美國(guó)適航規(guī)章FAR21（中國(guó)CCAR21）部給出了上述合格證的審定辦法和程序。 

       航空器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用單位向適航當(dāng)局提出航空器T C、P C 或C o A 申請(qǐng)并接受適航當(dāng)局的取證，顯然，申請(qǐng)人所獲得的合格證所針對(duì)的對(duì)象是航空器，但是我們經(jīng)常會(huì)在一些國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中看到“材料取證”或“復(fù)合材料取證”等詞語(yǔ)，也經(jīng)常聽(tīng)到“復(fù)合材料等新材料必須首先取證后才能用于民用飛機(jī)”、“國(guó)外材料已經(jīng)完成適航取證并在民機(jī)上使用，我國(guó)大飛機(jī)研制時(shí)可以直接選用，國(guó)內(nèi)材料一般未完成適航取證，不能在大飛機(jī)上直接選用”的觀點(diǎn)。事實(shí)上，適航當(dāng)局主要負(fù)責(zé)TC、PC 和CoA三大類適航證書(shū)的審定和頒發(fā)，不會(huì)對(duì)某個(gè)材料進(jìn)行所謂的“適航審定”，更不會(huì)給某家公司的材料頒發(fā)“適航合格證”。“材料取證”的說(shuō)法一種出處可能是來(lái)自于對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)中“Material Qualification” 的誤譯，另一種出處可能來(lái)是自國(guó)外某家材料供應(yīng)商展示的其材料在某飛機(jī)應(yīng)用的“證書(shū)”。

復(fù)合材料在民機(jī)上應(yīng)用的適航要求及實(shí)施途徑和方法

       由上節(jié)分析可知，對(duì)于一個(gè)新的飛機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)者首先要向適航當(dāng)局申請(qǐng)適航型號(hào)合格證（T C），適航當(dāng)局負(fù)責(zé)對(duì)申請(qǐng)人的型號(hào)設(shè)計(jì)和發(fā)展進(jìn)行全面的適航符合性審定，審定的依據(jù)為適航當(dāng)局頒發(fā)的飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)F A A 的適航標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)C A A C 的適航標(biāo)準(zhǔn)完全一致：F A R25（C C A R25）部為運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，一般指大飛機(jī)；FAR23（C C A R23）部為正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，一般為通用航空用飛機(jī)或小飛機(jī)等；F A R27 和F A R29（C C A R27 和C C A R29）部為旋翼類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，一般指直升機(jī)。這些適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)給出了全面系統(tǒng)的適航要求，但為了便于執(zhí)行，適航當(dāng)局會(huì)根據(jù)具體的系統(tǒng)和單元制定相應(yīng)的咨詢通報(bào)（A C）和政策聲明，以提供可滿足適航標(biāo)準(zhǔn)要求的實(shí)施途徑和方法，T C 申請(qǐng)人必須按照上述要求制定完善的設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)計(jì)劃和方案，在適航當(dāng)局相關(guān)機(jī)構(gòu)的審批和見(jiàn)證下完成這些工作，并提供能夠滿足適航標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求的全部證據(jù)，提交適航當(dāng)局進(jìn)行審定。

       材料的相關(guān)適航要求主要體現(xiàn)在FAR25.603 和FAR25.613(FAR23.603和FA R23.613) 節(jié)中，隨著復(fù)合材料在民機(jī)上的應(yīng)用和發(fā)展，美國(guó)于1978年7 月10 日頒布了咨詢通報(bào)AC20-107“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”，這是一份指導(dǎo)性文件，該文件在符合F A A 有關(guān)原則的前提下，對(duì)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)制定了一個(gè)可以接受但不是唯一的驗(yàn)證方法，該方法類似于今天被普遍接受和使用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式驗(yàn)證方法。該文件適用于FAR23、25、27 和29 涉及的所有航空器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。1984 年4 月25 日F A A頒布了新版本的咨詢通報(bào)A C20-107A，對(duì)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)方法的依據(jù)。另外，1989 年F A A 頒發(fā)了咨詢通報(bào)A C21-26“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量控制”，從而構(gòu)成了比較完整的適航技術(shù)要求和質(zhì)量控制要求。

       在實(shí)際操作層面，T C 申請(qǐng)人首先要按適航要求選用已有的型號(hào)材料規(guī)范或起草新的材料規(guī)范（該規(guī)范常被稱為用戶材料規(guī)范），在對(duì)供應(yīng)商材料進(jìn)行篩選的基礎(chǔ)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(duì)供應(yīng)商材料進(jìn)行“Q u a l i f i c a t i o n”的計(jì)劃，“Qualification”是TC 申請(qǐng)人為滿足適航審查需要所制定和實(shí)施的對(duì)材料全面性能進(jìn)行多批次取樣試驗(yàn)和驗(yàn)證的活動(dòng)，其目的是確定材料性能的變異性（或穩(wěn)定性）、獲得具有一定置信度和破壞概率的材料許用值和設(shè)計(jì)值以及材料性能可接受的極限值。

       從上述活動(dòng)的內(nèi)容和目的來(lái)看“Qualification”應(yīng)該譯為“合格性鑒定”（簡(jiǎn)稱為“鑒定”）。鑒定計(jì)劃應(yīng)報(bào)適航當(dāng)局相關(guān)機(jī)構(gòu)審批，并在適航當(dāng)局相關(guān)機(jī)構(gòu)見(jiàn)證下由T C 申請(qǐng)人負(fù)責(zé)執(zhí)行，計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束后，T C 申請(qǐng)人負(fù)責(zé)凍結(jié)最終的材料規(guī)范狀態(tài)和相應(yīng)的復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)制造工藝規(guī)范，并將所有文件和數(shù)據(jù)整理報(bào)適航當(dāng)局有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行適航符合性審查。審查通過(guò)后，T C 申請(qǐng)人會(huì)將該供應(yīng)商列入其合格供應(yīng)商目錄或向供應(yīng)商頒發(fā)合格供應(yīng)商證書(shū)或產(chǎn)品鑒定合格證書(shū)。所謂的“材料取證”實(shí)際上是由TC 申請(qǐng)人組織的“材料鑒定”，材料供應(yīng)商手中的“證書(shū)”實(shí)際上是由T C 申請(qǐng)人頒發(fā)的合格供應(yīng)商證書(shū)或產(chǎn)品鑒定合格證書(shū)。

       由于材料鑒定由TC 申請(qǐng)人負(fù)責(zé)進(jìn)行，因此實(shí)施過(guò)程形成的數(shù)據(jù)庫(kù)、材料規(guī)范和工藝規(guī)范等知識(shí)產(chǎn)權(quán)一般歸T C 申請(qǐng)人所有，T C 申請(qǐng)人一般不愿將這些數(shù)據(jù)和知識(shí)與其他航空型號(hào)設(shè)計(jì)和制造商共享。

        對(duì)材料供應(yīng)商來(lái)講，在進(jìn)入材料鑒定計(jì)劃之前，應(yīng)凍結(jié)樹(shù)脂的配方和預(yù)浸料的工藝，形成完整的過(guò)程控制文件（P C D），其中包括原材料控制、樹(shù)脂工藝和性能控制、預(yù)浸料工藝和性能控制或相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)范和工藝規(guī)范（這些規(guī)范一般稱為供應(yīng)商規(guī)范），這部分的知識(shí)產(chǎn)權(quán)一般也歸供應(yīng)商所有，T C 申請(qǐng)人在必要時(shí)可引用這些規(guī)范以保證材料的可追溯性，適航當(dāng)局在進(jìn)行適航符合性審查時(shí)有權(quán)利檢查這些文件。國(guó)外傳統(tǒng)的復(fù)合材料鑒定基本流程如圖1 所示。

到目前為止，國(guó)外復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)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(guò)了甲T C 申請(qǐng)人的鑒定并在該公司航空器上得到了應(yīng)用，并打算在乙T C 申請(qǐng)人的型號(hào)上應(yīng)用，為了滿足適航審查，乙T C 申請(qǐng)人必須進(jìn)行同樣的材料鑒定工作，圖2 表示了這種各不同T C 申請(qǐng)人獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和鑒定的模式。這也就是為什么國(guó)外在民機(jī)上已經(jīng)應(yīng)用的材料，不能直接被我國(guó)大飛機(jī)直接選用的原因，從這方面講，國(guó)外和國(guó)內(nèi)材料在我國(guó)大飛機(jī)上應(yīng)用所需進(jìn)行的材料鑒定和結(jié)構(gòu)驗(yàn)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(dāng)局對(duì)T C 申請(qǐng)人進(jìn)行適航審定的要求，但每個(gè)T C 申請(qǐng)人都必須單獨(dú)對(duì)材料進(jìn)行鑒定、形成獨(dú)立的不能共享的數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)范，其他T C 申請(qǐng)人即使使用同一種材料也必須重復(fù)材料鑒定工作，這就造成了經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)和時(shí)間的耽誤，這一點(diǎn)對(duì)波音和空客這樣的大公司可能不算什么，但對(duì)于從事F A R23 部所涵蓋的小型航空器設(shè)計(jì)和制造公司來(lái)講，這些浪費(fèi)幾乎是不可接受的，因此，復(fù)合材料鑒定模式的改變首先是從FAR23部涵蓋的航空器領(lǐng)域開(kāi)始的。

滿足FAR23 部要求的復(fù)合材料鑒定、等同和數(shù)據(jù)庫(kù)共享方法 

       從1994 年開(kāi)始在NASA、FAA和美國(guó)70 家企業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)組織開(kāi)展了AGATE（AdvancedGeneral Aviation TechnologyExperiments）項(xiàng)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(fā)展一種通用的復(fù)合材料鑒定和性能等同判斷方法和規(guī)則，建立共享的數(shù)據(jù)庫(kù)，大幅度降低材料鑒定的成本和時(shí)間，加快通用飛機(jī)設(shè)計(jì)、發(fā)展進(jìn)程和適航審定。在2001 年4 月AGATE 計(jì)劃結(jié)束時(shí)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(fù)合材料體系的材料鑒定和等同”的技術(shù)文件，之后AGATE 作為這一方法和共享數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)營(yíng)者為許多材料供應(yīng)商和航空器設(shè)計(jì)者提供了服務(wù)。2003 年FAA 小飛機(jī)理事會(huì)將 “聚合物基復(fù)合材料體系的材料鑒定和等同”作為政策聲明出版發(fā)表。

       2005 年N A S A 的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到A G A T E 的方法應(yīng)該從通用航空領(lǐng)域推廣到整個(gè)航空行業(yè)，于是建立了一個(gè)永久性機(jī)構(gòu)（National Center for Advanced Materials Performance，NCAMP），與CMH-17 一起來(lái)繼續(xù)優(yōu)化這些方法，并致力于這些方法的發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)也成為共享數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行維護(hù)者和服務(wù)提供者。

       為了形成共享的標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)材料規(guī)范和工藝規(guī)范，F(xiàn) A A 還制定出版了預(yù)浸料和復(fù)合材料規(guī)范及工藝規(guī)范編制指南，這些指南包括：

      （1）DOT/FAA/AR-02/109“碳纖維/ 環(huán)氧單項(xiàng)預(yù)浸料材料規(guī)范的推薦編制標(biāo)準(zhǔn)和指南”； 

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

      （3）DOT/FAA/AR-06/10“碳纖維/ 環(huán)氧織物預(yù)浸料材料規(guī)范的推薦編制標(biāo)準(zhǔn)和指南”；

      （4）DOT/FAA/AR-06/25“液體成型碳纖維復(fù)合材料材料和工藝推薦編制標(biāo)準(zhǔn)和初級(jí)指南”。

       盡管目前這些方法尚未在FAR25 部涵蓋的運(yùn)輸機(jī)類飛機(jī)上應(yīng)用，但隨著N A S A、F A A 和有關(guān)工業(yè)部門(mén)的努力，可望未來(lái)在大飛機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而降低成本，加快研制與適航審定的進(jìn)度。

結(jié)束語(yǔ) 

       本文對(duì)民機(jī)適航審定和取證中涉及的復(fù)合材料的相關(guān)技術(shù)要求、程序要求、實(shí)施途徑和方法及其發(fā)展演變趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，希望對(duì)我國(guó)復(fù)合材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用和適航審定具有一定的借鑒作用。(end)