航空发动机消声短舱强度问题浅析

从悉尼起飞的空客A330飞机短舱破损照片的

达索“水星”客机在发动机短舱上安装了吸声材料，使得噪声下降了5~6分贝。

近50年间飞机有效感觉噪声级的下降与消声短舱的作用。

燕群

北京时间6月11日18时41分，从悉尼起飞的空客A330飞机在起飞不久，便遭遇了发动机短舱进气道部位结构破裂的故障。据报道，类似的故障在过去也曾发生过数起，早在2006年阿联酋航空、2017年埃及航空，以及国内港龙航空均遇到此类问题。飞机制造商空客公司及发动机制造商罗罗公司，并同欧洲适航部门EASA对此类事件进行了调查并出了相应的适航指令和服务通告。上述故障的共性在于破裂的部位均在发动机短舱进气道部位。

目前民用涡扇飞机在该位置普遍安装有声衬，其功能是用以降低发动机风扇等的噪声。随着前一段时间关于此故障的报道，消声短舱声衬的结构强度问题受到了广泛关注。中国飞机强度研究所作为国内唯一的飞机强度专业研究与验证机构，先后承担了中国航空工业集团公司、民机专项等归口的消声短舱研究项目，并就设计分析与试验验证技术等还与欧盟多家单位开展合作研究，目前正在进展当中。

发动机短舱声衬的功能

随着民用航空工业的发展，噪声与振动水平已成为影响型号市场竞争力的重要技术指标和筹码，民用飞机的噪声振动控制是各国研制民用大型客机并争取市场份额的关键技术之一。而发动机作为飞机的动力装置，是最主要的噪声源。从国内外民用航空研究和发展经验来看，通过应用短舱声衬消声技术可有效降低涡扇发动机的噪声，提高型号的噪声适航性、显著改善座舱噪声/振动环境，提高结构安全性以及市场竞争力。实际上,近50年发动机技术的快速发展一直均伴随着短舱声衬技术的发展与进步。尤其是自1970年以来大涵道比发动机的发展，以及80年代后一代接一代消声短舱的问世，大幅降低了飞机噪声的辐射。可以说，短舱声衬技术是降低发动机噪声性价比最高、改变发动机工作条件最小的一项技术。国内外均投入了大量的研究力量持续进行改进。

目前，几乎全部民用涡扇发动机都装配有消声短舱和专门设计的声衬。虽然结构形式不尽相同，但随着设计制造年代的推进大体呈现出“消声频带越来越宽、结构重量越来越轻、同时加工维护成本越来越低”的规律。以目前最先进的A380型飞机上安装的声衬为例，其具有非常高的吸声频带宽度和效能，可明显同时降低多个风扇纯音噪声及其谐波。而使用轻质复合材料替代传统的金属材料制造、周向无安装拼缝的柔性成型工艺、覆盖风扇前后整个外涵道则是其结构设计上的特点，也代表了未来消声短舱的发展方向。

短舱声衬的载荷特点

除了具有降噪的作用外，短舱声衬作为进气道部件的构成零件之一，还担负着构成进气道的气动外形的作用，为大量的发动机进气提供通道。所以首先它所承受的载荷之一便是强大的气流压力。除此之外，声衬靠近进气道的一面暴露在低温气流下，背面则会受到发动机和短舱内置的防冰管路的烤炙。冷热对比形成的温度梯度会加剧结构的负担。再者，声衬属于多孔结构，容易吸收空气中的潮气并在高空中凝结结冰，这也会对复材结构产生诸如腐蚀、膨胀等问题，尤其当附加上振动以后更容易引起疲劳破坏。综合来看发动机短舱声衬的工作环境还是比较恶劣的。

根据空客A330飞机发动机短舱进气道部位结构破裂的故障报道，可以看出由于TR700型发动机的进气道采用了大量的复合材料，上述载荷的综合作用便极有可能是导致此次故障的原因。在罗罗公司的调查中，对发生此类事件的主要归因定为：进气罩消声面板（即声衬）的分层脱离，导致消声面板容易在分层脱离的位置破裂。这是对声衬结构本身初始破坏源头的分析；进气道隔框发现的一些铆钉的松脱，使得进气整流罩的外层蒙皮和主结构间受力变小，在强大气流的作用下就有可能脱落。这是对声衬与进气道组合体传力路径失效的分析。

同时作为弥补方案，罗罗公司提供的解决办法包括：进厂作改装，使用加强的材料；定期重复检查，如发现损伤，进行相应的评估和放行。不难看出，这两条解决办法的核心思路即“补强加维护”。

短舱声衬设计考虑

短舱声衬的降噪功能的重要在于，若在设计中没有充分考虑载荷和使用环境对强度和寿命的影响将会埋下隐患。在设计当中如何综合考虑是飞行器结构设计专业的重要任务。

首先在声学设计方面，需要发展的声阻抗模型（描述声衬基础消声能力的模型），并通过大量实验验证其准确性。同时，针对不同发动机的声源特性，需要有针对性的设计主要降噪频率，结合进气道有限的布放区域，优化得出最佳的方案。再者针对强度和结构完整性，则要充分考虑多种载荷单独作用和综合作用时的后果，通过应力分析确定危险部位和破坏形式，并通过大量试验验证设计与分析的结果。尤其是采用了复合材料等新材料后，还应详细研究成型工艺、安装方式、维修保养等各个环节的问题。

近年来，国内研究人员开展了有关声衬结构的研究，并且取得了一定的成绩。与国外研究情况相比，国内在消声短舱声衬方面的研究无论是针对吸声机理等科学问题的基础理论研究或探索性研究，还是针对设计、制造和试验验证技术等工程化问题，均有大量的科研项目支撑。如在“十二五”期间，强度所在航空工业创新基金的支持下，与北京航空航天大学等一起开展了 “消声短舱声衬设计、制造和试验验证技术研究”，研究结果为我国某型涡扇发动机运输机的声衬研制提供了技术支持。在民用飞机的应用当中，由于需求更加旺盛，在外涵道的声衬也大胆采用了复合材料作为基础，并使用柔性成型无缝工艺替代了多片拼接金属蜂窝结构。我国未来的民用飞机将采用的发动机涵道比更大、外涵道更短，这使得风扇前/后传噪声同时成为最主要的噪声源，并通过复杂的模态波形式向外辐射，所以民用飞机整个涵道必须采用声衬结构。同时，民机更加强调轻重量与高可靠性。因此，发展高效、轻质、覆盖全外涵道的无缝复材声衬结构，将成为我国消声短舱研制的目标。在未来一段时间内，还有必要通过进一步研究，形成更为系统的、符合民机设计要求的消声短舱声学及结构设计方法，掌握声衬结构制造关键工艺与加工技术，建立科学的消声效果测试和结构可靠性验证方法，为我国民机满足适航噪声标准及舱内舒适性要求，提供必要的技术支持。

功能与结构完整性试验验证

声衬作为新结构形式，对降噪功能与结构完整性考核提出了新的需求。一是研究新的声衬声学试验验证技术，具体指研究创新声衬阻抗提取技术、旋转声模态加载技术和宽频声模态提取技术。研究主要集中在更真实的流场、声衬结构以及较高水平的声激励等条件下测试和分析声衬的效果，以便更深入地理解声衬作用的物理机制。旋转声模态加载则是通过信号调制的方法，使包围在涵道外边界的扬声器发出具有明确相位关系的声波，在涵道内合成出模拟发动机风扇噪声特征的波前，作为测试声衬消声效果的输入。宽频声模态提取技术则是通过使用传声器阵列测量涵道内规定截面处的声辐射和湍流信息，并利用随机过程理论对湍流宽频噪声模式进行统计分析，有助于分析理解声衬对涵道内宽频噪声降低背后的机理。

二是研究新的声衬结构完整性试验验证技术，如同时考核气动静载荷高声强激励载荷的需求和同时考核结构内部结冰/融化叠加振动载荷的需求。这些试验在以往飞机结构完整性试验中很少实施，同时针对复材无缝声衬这样的新结构，将重点研究多种载荷协调加载、边界条件模拟，以及结果分析与改进设计等方面，发展出适合的结构完整性试验验证技术。

最后重新审视此次故障，发动机与飞机主机单位应当和短舱设计、制造与验证单位充分加强合作，针对其面临的多重载荷、结构响应和寿命开展具有针对性系统的验证工作。尤其针对使用新材料、新结构的消声短舱，在研制中不应仅考虑消声功能性，而应当充分研究其强度特性，为未来装机应用提供支撑。