对飞机复合材料结构修理技术的探究
熊哲 李炳伯
摘 要：本文以某无人机一体式复合材料夹层油箱结构的故障修理为实例，分析了渗油故障的原因为镶嵌件安装处结构损伤，给出了损伤修理方法和验证试验方案；通过修理后的验证试验表明，采用填料填补修理的方法，注油一个月后未再出现渗油现象，能够解决油箱的渗油故障，并且采用补片式方法修理后，修理的结构能够满足外挂点最大挂载载荷承载能力的要求，达到了修复油箱的目标。
关键词：无人机；复合材料；修理方法；一体式油箱；镶嵌件。
1概述
复合材料重量轻，性能优异，便于大面积整体成型，近年来，复合材料已经在飞行器上得到广泛应用，不但用于控制面和整流罩，而且也用于主承力结构，有效地减轻了飞行器的结构重量，提高了飞行器的技术性能，釆用先进复合材料的程度已成为衡量飞行器是否先进的重要标志之ー[1]。但是复合材料结构在生产过程中会存在生产缺陷，而且在使用过程中也不可避免地会遭受损伤。
为了保证飞行器的安全使用，复合材料结构需要具有良好的性能，在出现损伤时必须及时的修理以保证其处于良好的状态。结构损伤如不及时修理就会发展成较大的损伤，导致本来外场可以修理的结构损伤必须返厂修理，甚至结构报废。因此，及时、正确的修理可以最大限度地节省使用和维护费用[2]。
本文以某型无人机为实例，对复合材料结构损伤区域的确定、修理及验证方法进行了研究。
2某无人机一体式油箱结构
2.1一体式油箱结构形式
某无人机机身（图1）为高温碳纤维预浸料固化而成，油箱集成在机身中部结构两侧，油泵装在机身中部的前底端，同时在该位置留有空气出口。该直升机机身采用左右侧蒙皮和内部结构二次胶接而成，形成的空腔为油箱。机身中部空腔采用碳纤维复合材料结构，空腔内壁涂覆有耐油隔油材料涂层，将机身空腔与油箱一体化设计；机身中部外侧有多个镶嵌件，用于悬挂飞行任务载荷。
2.2损伤区域分析
经检查发现，一体式油箱外部一处镶嵌件发生渗油故障，通过内窥镜检查及敲击检查，确认该处镶嵌件安装在复合材料蜂窝夹层结构内，周边由填料填充固定，如图2所示。
为进一步了解内部损伤情况，通过超声波扫描仪检查，发现填料区域有局部裂纹；去除外蒙皮表面碳纤维和局部填料后，检查填料周边蜂窝，发现蜂窝区完好无损，蜂窝内部无油渍或浸润痕迹。分析此镶嵌件在预埋过程中，内部铺布密封时对接缝没有密封好，存在工艺质量问题；另外，存在装拆任务载荷时易导致填料产生局部裂纹，进而使得燃油从缝隙处渗出，如图3所示：
3损失修理方法
因一体式油箱内部为半封闭区域，难以在内部进行修理操作，只能从外至内进行修理，且外部区域。如图4所示，将镶嵌件外部的碳纤维打磨去除，同时打磨掉周边的部分蜂窝区域。而后在打磨掉的蜂窝区域填入填料（EA9396常温结构胶加玻璃微球），再铺放与原结构相应层数的碳纤维（用EA9396常温结构胶充分浸润），最后在外侧补加一层+45°碳纤维纤维，如图4所示：最后，用红外灯加热至60℃-70℃固化，持续时间8小时。
4修理验证试验
4.1承载能力试验
根据承载能力试验设计，模拟修理区域结构形式。试验件按照修理方案进行加工，即先加工油箱舱壁板夹层结构试验件，然后在中心区按要求挖空，再预埋镶嵌件后并铺设碳纤维。将新制的试验件进行拉伸与剪切试验，验证修理后的复合材料承载力。
4.1.1拉伸试验
夹具与支持四边固支，对螺栓施加法向拉伸载荷，如图5所示。表2为6组试验件进行拉伸试验的结果。
4.1.2剪切试验
试验件一边夹持，在试验件单侧施加垂直于夹持边方向的载荷，如图6所示。表3为6组试验件进行剪切试验的结果，。
4.1.3 承载能力试验结论分析
使用载荷取第一峰值的最小值，破坏载荷取最大峰值的最小值[3]。
通过上述试验分析，该复合材料蜂窝夹层结构镶嵌件修理后承载能力满足某无人机外挂点最大挂载载荷25kg的要求。
4.2注油试验
为验证一体式油箱渗油的故障是否解决，在完成修理后对一体式油箱重新注油，将油箱按着陆状态放置；一个月后，检查原镶嵌件渗油区域未发现有渗油情况。
通过注油试验，说明修理后的一体式油箱有效的封堵了原镶嵌件安装处结构的渗油点，解决了一体式油箱渗油的故障。
5结论
本文对某无人机出现的复合材料蜂窝夹层结构渗油故障进行了分析，确认了渗油故障的原因为镶嵌件安装处结构损伤，根据损伤情况给出了损伤修理方法，并通过承载能力模拟试验验证，表明通过修理后的结构满足某无人机外挂点最大挂载载荷25kg的要求，并根据注油试验一个月后无渗油现象，说明修理后的一体式油箱有效的封堵了原镶嵌件安装处结构的渗油点，解决了一体式油箱渗油的故障，达到了修理的目的。
复合材料结构在无人机上的应用越来越广泛，但也会出现缺陷和损伤，给无人机的使用和维护带来诸多不便。复合材料结构缺陷和损伤具有种类多、机理复杂等特点，给修理工作带来了巨大的挑战，需要我们在总结前人经验的基础上不断探索。
参考文献：
[1] 牛春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京：航空工业出版社，2010.
[2] 陈绍杰.复合材料结构修理指南[M]. 北京：航空工业出版社，2001.
[3] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M]. 北京：航空工业出版社，2001.
作者简介：
熊哲（1986-），男，民族：汉，籍贯：江西省南昌市，當前职务：设计师，当前职称：工程师，学历：大学本科，研究方向：机械制造。
