民用飞机旅客观察窗透明件的验证分析

杨雪梅

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

0 前言

民用飞机旅客观察窗透明件组件，包括内外层玻璃和密封件是一种很重要的非金属透明结构，不仅须承受一定的载荷，还须透光，向飞机内部提供采光。它对飞机的飞行安全和旅客旅途的舒适性起到至关重要的作用。

透明件组件由三部分装配而成，分别是外层玻璃、内层玻璃和密封件。内、外层玻璃之间是空气层，如图1所示。目前绝大多数民用飞机均采用此种结构［1］。

图1 透明件组件的结构示意图

在这种结构中，每一层玻璃都能承受客舱增压载荷，属于破损安全设计。两层玻璃之间用成型的橡胶密封件沿周缘隔开，并在中间形成空气层，同时橡胶密封件对两层玻璃起到密封作用。中间空气层的设计主要基于以下考虑：一是作为良好的隔音层和绝热层；二是可以吸收撞击能量；三是利用密封件的排水孔将舱内的热空气引入中间空隙，以利于除雾，并让外层玻璃首先承载。

在正常使用情况下，外层玻璃为主承力层，承受飞机飞行过程中的客舱增压载荷，而内层玻璃一般不承受增压载荷。但是，当外层玻璃意外损坏后内层玻璃必须作为备用的受力构件来承受增压载荷，以保证飞机能够继续安全完成本次飞行［2］。

为了确保民用飞机的安全性，国产旅客观察窗透明件组件从设计选材，到组件设计和制造工艺，必须向中国民用航空局（CAAC）充分表明其适航符合性，并得到CAAC的批准，才能装机使用。笔者对透明件组件的适航符合性验证要求进行分析。

1 适航规章的要求

CCAR 25－R4中适用于旅客观察窗透明件组件的条款包括25.603和25.775，其中25.603是对材料的要求；25.775 则是对透明件组件的要求。这两个条款的要求如下［3］：

1.1 CCAR§25.603 材料

其损坏可能对安全性产生不利影响的零件所用材料的适用性和耐久性必须满足下列要求：

（1）建立在经验或试验的基础上；

（2）符合经批准的标准，如工业或军用标准，或技术标准规定，保证这些材料具有设计资料中采用的强度和其它性能；

（3）考虑服役中预期的环境条件，如温度和湿度的影响。

(2)若G=Mp(n,m),n≥ 2,m ≥ 1.当G/=M2(2,1)时,P∗(G)连通分支个数k(P∗(G))=p+1.当 G=M2(2,1)时,k(P∗(G))=5;

1.2 CCAR§25.775 风挡和窗户

（1）内层玻璃必须用非碎裂性材料制成。

（2）增压飞机的风挡和窗户必须根据高空飞行的特殊因素设计，包括持续和循环增压载荷的影响、所用材料的固有特性、温度和温差的影响。在装置本身或有关系统中发生任何单个破损后，风挡和窗户玻璃必须能经受座舱最大压差载荷与临界气动压力和温度影响的联合作用。可以假定在出现（按第25.1523 条规定的）飞行机组易于发现的单个破损后，座舱压差从最大值按相应的使用限制下降，使飞机能以不大于4 500m 的座舱压力高度继续安全飞行。

2 材料的规范符合性验证

2.1 定向有机玻璃

民用飞机旅客观察窗透明件材料要求具有良好的光学性能、较好的抗裂纹扩展性和抗银纹性，以及较高的静强度、质量轻等。国际上主要民用飞机一般都采用定向拉伸的有机玻璃（PMMA）。这类有机玻璃应满足MIL－PRF－25690《单层抗裂纹扩展改性丙烯酸酯塑料板和成型组件》B版。该标准的验证考核试验由美国海军航空作战中心飞机处（Naval Air Warfare Center Aircraft Division Patuxent River）负责。材料通过验证考核后，美国海军航空作战中心飞机处将会向有机玻璃材料供应商颁发MIL－PRF－25690 合格证，并纳入QPL－25690－15目录。纳入QPL－25690－15目录以后，该材料就可以直接使用于飞机旅客观察窗透明件。目前 QPL－25690－15 目录包括NORDAM、LLAMAS、SULLY、GKN 等国际著名观察窗透明件制造商的有机玻璃材料［4］。

为了满足民用飞机的使用要求，国产有机玻璃必须严格按照MIL－PRF－25690B的要求进行规范符合性验证。验证方法为试验室试验。同时还需要开展批次稳定性研究，积累设计用性能数据和疲劳性能数据，并最终获得CAAC的批准。

国内锦西化工研究院研制的YB－DM－10有机玻璃，是对MIL－PRF－25690B 版研制的一类轻度交联的定向拉伸丙烯酸酯板材。这也是迄今为止我国所有牌号的有机玻璃中综合性能最好的一种。其抗裂纹性能优异，耐热性和耐久性均与国外同类产品水平相当。经过数十年的研制，YB－DM－10已批量化生产，并且在国内其它型号飞机上使用，取得了成熟的经验。目前该牌号有机玻璃已在CAAC 适航审查代表的全程监控下，严格按照MIL－PRF－25690B 版规范，完成了3 批次材料的规范符合性验证试验。其主要性能指标测试结果，如表1所示。由表1可见：该牌号有机玻璃的主要性能指标完全满足MIL－PRF－25690B 版的要求，其中标准条件下的韧性K 因子远超过该标准的要求。另外，该牌号有机玻璃在海南大气暴晒6个月后，韧性K 因子没有降低，光学性能稍有降低。这说明YB－DM－10有机玻璃抗裂纹扩展性能优异，大气老化性能比较稳定，可用于民用飞机旅客观察窗透明件的制造。

2.2 密封件用硅橡胶

旅客观察窗的密封件采用无卤阻燃型硅橡胶材料模压成型。硅橡胶须具有良好的耐候性、低温柔韧性，耐磷酸酯液压油和润滑油、耐压缩永久变形，并满足民用飞机温度高度包线所规定的使用温度要求。

3 透明件组件的试验验证分析

旅客观察窗透明件组件不同于一般结构件，须考虑不同透明件材料、制造、环境等对强度的影响，因此，采用试验室试验并辅以理论分析，以验证结构在极限载荷、破损安全载荷及疲劳载荷下满足25.775条款的要求。在AC 25.775－1［5］通告中给出了25.775条款的试验验证方法。

表1 YB－DM－10有机玻璃的主要性能指标

验证试验必须对以下试验参数进行确定。

（1）压力载荷

按照AC 25.775－1，透明件组件适航符合性验证试验项目包括疲劳试验、极限压力试验和破损安全试验等。验证试验首先必须确定试验的压力载荷参数。按照AC 25.775－1，飞机旅客观察窗透明件组件为破损安全设计。作为适航验证单独考核的组件，外层玻璃应当至少承受4 倍最大座舱压差；内层玻璃在外层玻璃失效后，应至少承受2倍最大座舱压差与临界气动力的联合作用，以保证飞行安全。另外，透明件组件还必须能够承受客舱循环增压载荷的作用。

（2）温度

聚甲基丙烯酸甲酯高分子材料是典型的黏弹性材料。它具有较好的耐低温性能。低温条件使得有机玻璃受到冷化作用，其强度和韧性得到提高；但温度过低时，有机玻璃的脆性增加，由黏弹性材料转变为脆性材料，因此，疲劳性能也会降低。

民用飞机透明件组件承载时的舱外环境温度范围为－55℃～35℃。温度对有机玻璃的静态拉伸、弯曲和疲劳性能有很大的影响。经验表明：环境温度每升高1℃，其拉伸强度降低0.196 MPa～0.392MPa［6］。

范金娟 等［7］研究定向有机玻璃在不同温度下的拉伸断裂行为，并探讨定向有机玻璃拉伸行为与温度的关系，如图2所示。结果表明：随温度升高，定向有机玻璃的拉伸强度和拉伸模量降低，断裂伸长率增加，材料由刚而脆变得软而韧。

图2 定向有机玻璃拉伸性能曲线

中国飞机强度研究所徐健 等［8］通过试验研究了温度（40℃、60℃、－25℃、－45℃）对有机玻璃的疲劳性能的影响。结果表明：温度对有机玻璃的疲劳性能有相当大的影响：在－25 ℃～60 ℃范围内，随温度升高，有机玻璃的疲劳性能下降，降低幅度也比较大；在－45℃～－25℃范围内，随温度升高，有机玻璃的疲劳性能随之增强。可见，有机玻璃随着温度的升高，其疲劳性能的变化机制很复杂，并非呈现单调变化的规律。透明件组件的疲劳验证试验必须考虑到这一点。

作为承力结构件，透明件组件受到温度和增压载荷的联合作用，因此，验证试验必须考虑温度的影响。极限压力和破损安全试验为静力试验，可根据飞机的温度／高度包线来确定透明件组件承载时的极限高温和极限低温，在极限高温和极限低温条件下各进行一次验证试验。试验结果合格，则认为透明件组件可在该温度区间承受极限压力和破损安全载荷。

透明件组件的疲劳试验需要加载的疲劳循环数可达数十万次，试验持续周期很长。在实验室环境下实现一次温度的交变需要大约4～6h，同时须模拟温度和载荷的交变，完成整个疲劳试验的周期太长，无法实现。在极限高温和极限低温下对组件进行长周期疲劳试验也很困难，只能在室温环境下进行。

然而，只进行组件室温疲劳试验的验证是不充分的。极限高温和极限低温下透明件组件的疲劳性能，可通过这两种温度条件下材料级别的疲劳试验结果加以修正。然而，即便采取这样的验证方法，验证试验的成本还是相当高的。

（3）材料性能的分散性

不同于金属材料，有机玻璃性能的分散性较大。验证试验参数的选取必须考虑到这一特点。咨询通告AC 25.775－1中指出：极限压力试验和破损安全试验可通过将载荷放大2倍，来覆盖材料的分散性和制造不确定性等因素。

在疲劳试验中，可通过增加疲劳循环次数覆盖材料分散性及机身支持结构对透明件疲劳寿命的影响，但是AC 25.775－1没有给出这个分散系数的推荐值。这个分散系数须在试验基础上通过统计方法确定。

然而，民用飞机结构件疲劳试验需要加载的疲劳循环数很高，可达数十万次。因此，完成整个试验的周期很长，成本也非常高。这就决定了疲劳试验的样本量往往很小。目前国内外广泛采用分散系数法来确定疲劳试验结果所代表的实际可使用的安全寿命。民用飞机结构的疲劳寿命一般可认为服从双参数的威布尔分布。其分布函数为［9］

式中：α为形状参数，β为特征寿命。

旅客观察窗透明件组件的疲劳寿命也可参照该方法进行处理。但前提是必须通过材料级别的长周期循环疲劳试验来确定威布尔分布函数的形状参数α。试验过程中应考虑以下两方面因素：一方面，影响有机玻璃板材疲劳寿命的因素很多，包括：环境温度、试验频率、载荷波形、试样粗糙度等。因此，须建立或选择合理的试验方法，对这些因素进行精确控制以保证试验结果的合理性和准确性。另一方面，材料级别的疲劳试验的样本量的确定，既要保证试验结果的代表性，又要将试验成本控制在合理的范围内。

根据有机玻璃的材料级别的疲劳试验确定威布尔分布函数的形状参数，即可计算给定应力水平下具有95% 的置信度、95% 的可靠度的寿命N95／95。计算公式［10］如式（2）所示：

式中：ST为试件系数；SC为置信系数；SR为可靠 性系数。

4 结语

国产定向有机玻璃用于民用飞机旅客观察窗透明件，须按照MIL－PRF－25690B 的要求进行规范符合性验证。透明件组件，包括内外层玻璃和密封件应通过极限压力、破损安全及疲劳性能等适航符合性验证试验来表明其适航符合性；验证试验必须考虑压力、温度，以及有机玻璃疲劳性能的分散性等因素。

［1］徐轶辰.民用飞机舷窗透明件的设计与分析［J］.科技信息，2013，18：490－492.

［2］罗腾腾.关于某型飞机客舱舷窗组件设计的分析与研究［J］.民用飞机设计与研究，2012，3：57－59.

［3］中国民用航空局.CCAR－25－R4运输类飞机适航标准［S］.中国民用航空局，2011.

［4］季光明.大型商用飞机客舱舷窗有机玻璃应用进展［J］.世界橡胶工业，2012，39（6）：48－51.

［5］美国运输部联邦航空局.AC 25.775－1 风挡和窗户［S］.美国运输部联邦航空局，2003.

［6］有机玻璃疲劳和断口图谱编委会.有机玻璃疲劳和断口图谱［M］.北京：科学出版社，1987：11.

［7］范金娟，张卫方，陈新文.定向有机玻璃的拉伸断裂行为研究［J］.航空材料学报，2006，26（5）：106－108.

［8］徐健，王琦，蒋军亮.温度对座舱有机玻璃强度影响研究［J］.结构强度研究，2007（2）：33－39.

［9］林富甲.结构可靠性［M］.西安：西北工业大学出版社，1991.

［10］李令芳.民机结构的耐久性与损伤容限设计手册［M］.北京：航空工业出版社，2003.