侃侃修飞机的那些事

万磁王

作者：大地窝铺

飞机修理的依据
　　飞机修理讲究依据，每一步都要求有根据，而且必须是经过本国民航适航部门批准的根据。这些根据主要包括：
　　批准数据（Approved data）
　　a/ 型号证书，STC（Supplemental Type Certificates，补充型号证书），LSTC（Limited Supplemental Type Certificates，有限补充型号证书），RDC（Repair Design Certificates，修理设计证书）等等。
　　b/ 其他根据航空法由运输大臣或其代表批准的图纸或者方法。
　　具体数据（Specified data）
　　a/ 适航指令里给出或列举的图纸或方法。
　　b/ 由飞机、发动机、机载设备制造商或者型号证书持有者发布的，经过适航部门批准的数据，包括改装指令，服务通告，工程指令。
　　c/ 飞机制造商的结构修理手册
　　d/ FAA Advisory Circulars AC43.13-1/-2。这是两本厚书，关于飞机修理方方面面的技术问题。只适用于小飞机。而且是在小飞机制造商没有提供相关修理方法时，有条件地使用。
　　一般飞机那个部位损伤了，比如说飞机上的装卸工人野蛮操作，撞坏了后货舱门的蒙皮。那么就先查结构修理手册（具体数据）。结构修理手册非常详尽，能够找到那个部位蒙皮所用的材料是什么，允许损伤范围是什么，范围之内怎么处理一下就可以，范围之外怎么修，用什么材料修，损伤大到什么程度，就不能用结构修理手册给出的方法修理了。
　　怎么办？于是请出高一级的数据—批准数据，型号证书，也就是飞机公司的原始图纸了。用原始图纸来修理，或者干脆就是替换受伤部位的零部件。
　　修理的每一个步骤，都有类似这样的记录：MADE REPARE PART IAW B737-700 SRM REV43 CHXX-XX-XX, PARA XX STEPS X TO Y.
　　或者，IAW BOEING DWG# XX-XXXXX。
　　IAW= IN ACCORDANCE WITH=按照。
　　一种型号的飞机要飞起来，必须由适航当局批准它的原始设计数据，得到批准后，拿到型号证书，才能合法地投放市场。
　　某型飞机，飞了多年后，已经不适合客运，但用来货运应该不错。那么就有公司作这个客改货的设计工作。做这个工作的公司可以是飞机制造公司，也可以是某个飞机维修公司，或者干脆就是个设计公司。这类设计完成之后，也要得到适航部门的批准，拿到 STC，或者 LSTC 之后，才能具体施工。比如 B747 客机改货机，就要走这条路。
　　波音飞机的翼尖小翼，是个选装件。不是原始型号证书里的东西。如果客户选装小翼，那么要用到小翼的 STC，这个 STC 的持有公司是 Aviation Partner Boeing。
　　最近大家都关注的 B737-300 飞机大面积检修，国内可能这型飞机已经很少了。我在新疆航空公司工作的时候，新航有两架，B-2930 和 B-2931，不知道现在被南航优化机队到哪个分公司去了，很想念当年新疆航的天鹅新月航徽。总之，飞机绝对是好飞机，可靠性非常好。当然，再好的飞机也会有问题，有问题不要紧，修就是了。要不然我们吃什么啊？
　　这样的情况下，适航部门会下发一个适航指令 AD—具体数据。AD 给出，什么型号的飞机，生产线号段范围内的，需要在什么部位，用什么方法检查，如果没问题，应该如此如此；如果有问题应该这般这般……。AD具有相当高的权威性，航空公司会优先执行。
　　有些看似不起眼的东西，也是需要适航批准的。比如飞机客舱里用的座椅套，头片等纺织品，座位牌，行李牌等塑料小片片，旧了，坏了怎么办？换。从飞机公司购买原装的？太贵。本地企业生产的？可以，但是要经过适航当局的严格审批，拿到许可证才能装到飞机上。

万磁王

从 787 聊聊飞机的复合材料
　　去年夏天去波音航空中心/宽体客机总装厂参观，链接出处看到还在生产线上的第一架波音 787。这 787 最与众不同的地方是大量使用先进的复合材料，连机身都用的是复合材料，大约结构重量的一半是复合材料。相比之下，757 飞机这个比例大约是 7%，777 大约是 11%。757 咱修了不少，感觉没有达到 7% 的比例。传统飞机用的是铝合金结构机身。这张照片是在航空中心里照的 787 尾段，可能这是试生产留下的。

787 的复合材料尾段

注意看复合材料也用铆钉，但铆钉的材料是钛合金或者莫奈合金，这是防腐的需要。复合材料用的铆钉不能用一般的气动捶击式铆枪，只能用挤压式铆枪，因为复合材料最大的缺点是抗冲击能力太差

万磁王

　　复合材料的定义是很广泛的，飞机上使用的复合材料主要是指碳（石墨）纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和树脂做成的。以碳纤维复合材料为例，在同等质量条件下，其强度是铝合金的 7 倍。使用复合材料的好处主要就从这里来的。既然复合材料又轻又结实，那用复合材料的飞机就更轻，能载更多的客货了。铝合金容易腐蚀，飞机飞的时间长了还有疲劳问题，会出现疲劳裂纹。但复合材料就不然，它不腐蚀，也不疲劳。这带来的好处就多了去了。传统飞机大修时，飞机厕所、厨房、前后货舱下面的地板梁，经常腐蚀得白花花的。用复合材料就不怕腐蚀了。这 787，机身都用复合材料制造，强度远高于铝合金机身，因此，787 客舱的舷窗可以开的更大，客舱里的气压和湿度也可以升高。金属飞机客舱里的气压相当于海拔 2,400 米的气压，气压再高，就太接近机身结构的安全限了。很多人坐飞机时会觉得机舱里空气太干燥，这可是故意的，太湿润旅客觉得舒服，机身就受不了，要腐蚀了。复合材料部件可以把形状做的很大，很复杂，相对来说还是比较容易的。因为使用复合材料，787 减少了 1,500 个钣金件，40,000 到 50,000 颗铆钉。
　　复合材料是代表，是方向。复材是设计出来的材料，即科研人员用已知性能的材料：纤维和树脂，用不同的排列组合指向，计算出来，然后变计算为现实材料的。让它在某个或某几个希望的方向上力学性能最好，而在其他不那么重要的方向上性能做些妥协。最典型的例子，复材在纤维方向上最结实，纤维或纤维布铺层时改变方向，可以做到平面/曲面上其他方向上也结实。但在纤维布的层间力量还是差，垂直方向很容易分层。但这是可以容忍的缺点。什么材料没弱点呢？铝合金好，但容易腐蚀；钛合金好，但贵还容易裂纹。

看一下 787 上的部件都是那里制造的吧，小国旗标的很明白了。中国制造的有机身机翼整流罩，垂直安定面前缘，还有方向舵。最难做的飞机部件之一是飞机的大翼。制造商是日本三菱重工

制造 787 机身的热压炉，里面的温度和压强是严格控制的，复合材料部件在热压炉里固化成型

787 静力试验中断裂的复合材料

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　　个人感觉 787 修理的时候，航空公司就开始做恶梦了，飞机维修公司就笑逐颜开了。比如说修发动机风扇机匣整流罩时，可以把它拆下来送到复合材料车间去修，不太严重的损伤就直接在原位修理了。修理时首先要把损伤的碳纤维层打磨掉，打磨掉了几层纤维，就要按原来纤维布的铺层方向修补几层。所以损伤部位最后要打磨成圆形或椭圆形的（理想状态），中间最低，一层比一层扩大半英寸的斜面。这可是技术活，复合材料部件上一层碳纤维布也就 0.01 英寸，修三层，0.03 英寸厚，你要把它打磨成 1.5 英寸宽的斜面，还要分清楚每一层纤维布的铺层方向！（英寸换毫米？1 英寸=25.4 毫米，您来做算术）一家飞机修理公司也就只有几个人能把这活做得漂亮。愿为修理最重要的一点，就是一定要保证，打磨的时候，绝对不能让石墨纤维乱飞，所以在工作之前必须用塑料布搭个严严实实的帐篷，才能开工。否则石墨纤维飞到燃油流量控制器等电子器件里，那就灾难了，石墨纤维可是导电的！

维修中的复合材料发动机罩

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　　飞机上用的碳纤维，准确说是石墨纤维，制造过程说起来是简单的（其简单仅限于说说而已），原料是 PAN（polyacrylonitrile）纤维，一种人造丝。先把人造丝在 200 到 300 摄氏度的环境里氧化、固化 1 小时。然后再到 1,200 摄氏度的环境里碳化 1 到 2 分钟。在 2,000 到 3,000 摄氏度温度下1到2分钟这时发生石墨化反应，这才得到高强度，高模量的石墨纤维。碳化反应产生的是无序的结构，而在石墨化反应中，除去了材料中的氢、氮、氧等其他元素，只留下了有序排列的碳链，这样就得到了高密度高模量的石墨纤维。石墨纤维还要再氧化处理一下，目的是为了提高与树脂的粘接性能。
　　纤维做出来后，然后纺成比如说 3,000 根一股（叫 3K），在编织成石墨纤维布，平纹的，或者绒布的等等，都是纺织专业名词。顺便给出一个数量级的概念，这些飞机上用的玩艺有多贵呢？玻璃纤维布 0.75-7 美元/磅；卡夫拉纤维布 12-20 美元/磅；碳纤维布 12-100 美元/磅。也别对这些价格太认真。美国没有得次贷感冒的时候，这些东西有价无货；得了两场大感冒后，行情就另说了。

漂亮的碳纤维布

万磁王

　　石墨除了在工业上应用广泛，在军事上也是很厉害的—石墨炸弹 BLU-114/B！海湾战争中，美军的石墨炸弹瘫痪了伊拉克 85% 的电力供应；接下来在科索沃战争中，又摧毁了塞尔维亚 70% 的电力基础设施。怎么整的？一颗石墨炸弹里有很多小炸弹，小炸弹筒里装了很多超细的，经过化学处理的石墨纤维束，我猜想为了达到更好的破坏效果，石墨纤维束应该是长短不一的。可能也用不着，一炸开，纤维就长短不一了。石墨炸弹在变电所，变压器跟前爆炸，炸出极多的石墨纤维，搭到哪里，哪里就形成导电通路，然后石墨纤维受热蒸发，形成电弧……，想像一下！金属做的供电设施哪里受的了这般连烧带炸得折腾，Game Over了，修都没法修！

BLU-114/B 石墨纤维子弹药

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螺丝钉
　　螺钉（Screw）一般用在受力不是很大，而又需要经常拆卸的场合，比如盖板。螺栓（Bolt）用在受力较大的地方，比如轮毂的两个半毂的安装，大翼与机身的连接安装。发动机往吊架上安装。请您注意一下照片中螺钉漂亮的颜色，照片上这些螺钉都是钢质的，但不是钢铁的本色。因为它们表面电镀了一层镉（Cadmium）。

形形色色的航空螺丝

万磁王

　　不仅是螺钉，大部分飞机上用的钢质的螺栓、螺帽等紧固件都要镀上一层至少 0.005 英寸的镉。不仅颜色很好看，更重要的是防腐的需要。其实金属镉很软，很容易划伤。但是当镀镉层划伤后，它与空气或水中的氧起反应，形成致密的，隔绝水和空气的氧化层。这种保护称为牺牲腐蚀（Sacrificial Corrosion）。

形形色色的航空螺栓

万磁王

　　飞机上用的铝合金也不是随便用的，2024 铝合金含铜 4.5%，锰 0.6%，镁 1.5%；7075 铝合金含铜 1.5%，镁 2.5%，锌 5.6%，铬 0.3%。这两种铝合金是飞机上最常用的，2024 铝抗拉伸，所以机身机翼的下半部蒙皮用 2024-T3；飞机上半部蒙皮、隔框、桁条多用 7075-T6。T3 代表固溶热处理加硬化；T6 代表固溶热处理加人工实效。一般说来，可以热处理的铝合金抗应力腐蚀的性能高一些。飞机表面用的铝合金蒙皮，一般还要在表面包一层纯铝。把复杂的东西往简单里说，就是在已经热处理过的铝板的两个表面轧上一层纯铝，纯铝的厚度大约是铝合金总厚度的 5%。举例说，如果包铝的铝板厚度是 0.040 英寸，那么铝板的两面各有一层 0.002 英寸的起防腐保护作用的纯铝。在力学上真正顶事的是 0.036 英寸的铝合金板。这层纯铝的作用是，表面包铝层划伤后，纯铝立刻与氧反应，形成致密的氧化铝膜，防止腐蚀内部的铝合金。

2024-T3 航空铝板

各种铝合金板材的颜色稍有不同

万磁王

　　防止腐蚀，控制腐蚀是飞机维修最重视的问题（之一吧）。如果您稍微留点神，就会发现国内民航的飞机几乎都是新飞机，老旧飞机不是退租就是卖掉。相反，美国各航空公司的飞机反而是非常老旧的飞机。其中主要的问题还是在防腐控腐和结构修理的能力上。说的极端一点，飞新飞机是航空公司在给波音、空客打工；飞旧飞机才是给自己挣钱。我现在修的飞机（包括一些民航客、货机）大部分都是和我年龄差不多大小的（那才有修头啊！把飞机翅膀拧下来，修好，在安上去，那多有成就感！），当然，给自己挣钱需要对自己的能力有足够的信心才可以。国人爱吃生猛海鲜，飞机货舱都装海鲜了。海水腐蚀铝合金，那真是太 EZ 了。

被腐蚀的铝合金表面

　　那么腐蚀一定要发生，那怎么办？一个原则：让便宜的部件先腐蚀！让便宜的部件先显露迹象，那么例行检查时发现了拆换就是了。飞机上什么最便宜？一般紧固件。那就让螺丝钉们先腐蚀吧！
　　结构用的螺栓，非结构用的螺丝钉，确实都这么讲究。而且什么地方用什么螺钉，在 AIPC（飞机图解部件手册）都有非常详细的信息。所有事情都有例外，比如厨房卫生间边条的固定螺钉，但相对来说这些是无关紧要的。
　　一般飞机制造公司选用螺栓螺钉时，会用航空工业标准的产品。比如说美军标 MS，美航空标准 NAS 等。标准由相关的标准委员会根据研究、实验、使用结果确定。如果某标准件公司想把它的产品推向航空市场，那么它就得把它的产品送到第三方的认证机构作各种各样的实验，完全符合标准后才能用到飞机上。
　　波音公司的紧固件用它自己的标准：铆钉的件号开头是 BACR；螺栓的件号开头是 BACB；螺帽件号开头是 BACN……同样的，一家紧固件公司想在波音飞机用它的产品，也得到第三方的认证机构去认证，这个过程是要花费很多钱的。