eVTOL材料与工艺的适航考虑

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本文作者是航空工业西安飞行自动控制研究所（618所）隋立军、中国民用航空适航审定中心（民航适航审定中心）冯建文、 陕西华燕航空仪表有限公司 (141厂)刘颖。“适航思维”在此衷心感谢TA们无私的知识和经验分享，以及对本公众号的大力支持!

PART 01

前言

2025年12月12日，中国民用航空局发布《关于征求咨询通告 <限用类无人驾驶航空器系统适航标准（征求意见稿）> 和 <动力提升航空器适航标准（征求意见稿）> 意见的通知》，标志着中国eVTOL产业进入了全新的发展阶段。从政策维度和产业发展看，《动力提升航空器适航标准（征求意见稿）》填补了国内适航标准空白，探索建立统一适航框架。

此前，载人eVTOL适航审定多采用“一事一议”模式（如亿航智能EH216-S的适航取证需单独制定专用条件），此次发布的《动力提升航空器适航标准（征求意见稿）》将为eVTOL建立统一适航标准，标准中针对eVTOL的垂直起降、多旋翼/固定翼转换飞行等特性，增设了关键条款，如最小安全速度条款替代传统飞机的失速速度要求，确保电动垂直起降阶段的安全性；动力电池和配电系统条款明确电池、电机、配电系统的安全标准，覆盖锂电池等新型能源形式；明确过渡形态适航要求，规范多旋翼到固定翼转换过程中的气动稳定性与控制逻辑。适航标准明确后，企业可直接基于标准开展设计及验证工作，上游供应商（如电池、电机企业）可针对性优化产品性能，中游制造商可聚焦整机集成与规模化生产，下游运营商可提前规划航线与商业模式，形成“标准-研发-生产-运营”的闭环生态，加速推动产业规模化和规范化发展，未来eVTOL将加速渗透至城市空中交通、跨城出行、应急救援、低空文旅等场景。

PART 02

eVTOL材料与工艺的适航要求

《动力提升航空器适航标准（征求意见稿）》中针对eVTOL材料与工艺的适航要求为“CPL.2260 条 材料和工艺”：

（a）对于其失效可能妨碍继续安全飞行和着陆的零件、部件和组件，申请 人应当在考虑服役中预期可能环境条件影响的情况下，确定所用材料的适用性和耐久性。

（b）制造和装配所采用的方法或者工艺应当能持续生产出完好的结构。如果某种制造工艺需要严格控制才能达到此目的，则申请人应当按照批准的工艺规范执行。

（c）除本条（f）款和（g）款的规定外，申请人应当选择设计值，该设计值应当确保考虑了结构元件关键性的带概率的材料强度。设计值应当考虑因材料变异性引起的结构失效的概率。

（d）如果对材料强度性能有要求，这些性能的确定应当以足够的材料试验为依据（材料应当符合规范），在试验统计的基础上制定设计值。

（e）对于在正常运行条件下热影响显著的关键部件或者结构，申请人应当确定温度对设计许用应力的影响。

（f）对于一般只能用保证最小值的情况，如果在使用前对每一单项取样进行试验，确认该特定项目的实际强度性能等于或者大于设计使用值，则这样材料采用的设计值可以大于本条要求的最小值。

（g）经局方同意，申请人可以使用其他材料设计值。

PART 03

适航要求解读

CPL.2260条围绕eVTOL材料和工艺明确了具体要求，目的是保障eVTOL在飞行与着陆过程中的安全性与可靠性，以下是对各条款的初步理解：

（a）材料适用性与耐久性确定

针对那些一旦失效就会严重影响继续安全飞行和着陆的零件、部件和组件，申请人必须确定所用材料的适用性和耐久性。

要充分考虑到服役过程中可能遇到的各种预期环境条件的影响，比如温度、湿度、腐蚀环境、振动等。例如，eVTOL在飞行过程中会经历不同的温度范围，从地面高温环境到高空低温环境，材料需要能在这些温度变化下保持性能稳定，不会因温度变化而出现脆化、变形等问题，从而确保零件、部件和组件在整个服役期间都能正常工作。

（b）制造和装配方法与工艺

制造和装配所采用的方法或工艺要能够持续生产出完好的结构。这意味着工艺要具有稳定性和可靠性，能够保证每一个生产出来的产品都符合质量标准。

如果某种制造工艺需要严格控制才能达到生产完好结构的目的，那么申请人必须按照经过批准的工艺规范来执行。例如，一些复杂的复合材料成型工艺，对温度、压力、时间等参数的控制要求非常精确，只有严格按照经充分验证和批准的工艺规范操作，才能保证生产出的复合材料结构具有足够的强度和稳定性。

（c）设计值选择

除（f）款和（g）款规定的特殊情况外，申请人选择的设计值要确保考虑了结构元件关键性的带概率的材料强度。也就是说，设计值不能仅仅基于材料的平均强度，而要考虑到材料强度的分布情况，以及这种分布对结构安全性的影响。

设计值还要考虑因材料变异性引起的结构失效的概率。材料的性能存在一定的变异性，即使是同一批次生产的材料，其强度等性能指标也可能存在一定的差异。设计时要通过合理的统计方法，确保在材料的这种变异性范围内，结构失效的概率处于可接受的低水平。例如，通过概率设计方法，确定一个合适的设计值，使得结构在规定的寿命期内，因材料变异性导致失效的概率小于一个极小的预定值。

（d）材料强度性能与设计值制定

如果对材料强度性能有要求，那么这些性能的确定必须以足够的材料试验为依据，并且材料要符合相应的规范。足够的试验样本数量和合理的试验方法能够保证所获得的材料强度数据具有代表性和可靠性。

需要在试验统计的基础上制定设计值。通过对大量试验数据进行统计分析，确定材料强度的分布规律，然后根据设计要求和安全系数等因素，制定出合理的设计值。例如，通过对一批金属材料的拉伸试验数据进行统计分析，得到其屈服强度的平均值和标准差，然后根据设计要求确定一个合适的设计屈服强度值。

通常试验样本容量越大，则材料强度值估计值的容许区间窄，强度值下限（例如A基准值、B基准值）越高，但是成本也越高，因此申请人应根据材料的性能需求规划材料测试量。

（e）温度对设计许用应力的影响

对于在正常运行条件下热影响显著的关键部件或者结构，申请人需要确定温度对设计许用应力的影响。eVTOL在飞行过程中，不同部位的温度会有很大差异，例如电推进系统周围部件会受到高温影响，而高空飞行时eVTOL外表面又会处于低温环境。温度的变化会导致材料的力学性能发生变化，如强度、弹性模量、寿命等。因此，需要研究温度对这些关键部件或结构设计许用应力的影响，确保在不同温度条件下，结构都能承受相应的载荷而不发生失效。例如，对于电推进系统附近的金属结构，要确定在不同高温下其许用应力值，以保证结构在高温环境下的安全性。

（f）保证最小值情况的特殊处理

对于一般只能用保证最小值的情况，如果在使用前对每一单项取样进行试验，确认该特定项目的实际强度性能等于或者大于设计使用值，那么这样材料采用的设计值可以大于本条要求的最小值。

例如某种特殊合金材料，其标准规范只规定了最小强度值，但在实际应用中，如果申请人能够在生产过程中对每一件使用该材料的产品进行强度试验，并且证明其实际强度都高于设计所要求的值，那么就可以采用比标准规定最小值更高的设计值，这样可以更充分地发挥材料的性能潜力，同时保证结构的安全性。

（g）其他材料设计值的使用

经局方同意，申请人可以使用其他材料设计值。这为申请人提供了一定的灵活性，当有新的材料、新的研究方法或特殊情况需要采用不同于常规的设计值时，只要能够得到局方的认可，就可以使用。例如，随着新材料技术的发展，出现了一些具有特殊性能的新型材料，其设计值的确定方法可能与传统材料不同，如果申请人能够提供充分的试验验证数据和理论依据，证明采用新的设计值能够保证结构的安全性，经局方认可后就可以使用这些新的设计值。

PART 04

符合性验证策略

针对CPL.2260条中eVTOL材料和工艺要求的验证与考虑，需从试验验证、工艺控制、统计分析、环境适应性测试等方面展开，具体如下：

（a）材料适用性与耐久性确定

开展环境适应性试验，模拟温度、湿度、振动、盐雾等极端环境，测试材料性能变化。例如，将材料置于-40℃至85℃循环温度环境中，验证其脆化、变形情况；通过盐雾试验评估抗腐蚀性。

开展加速寿命试验，通过高应力条件（如高温、高湿、高频振动）加速材料老化，预测其在服役周期内的耐久性。

（b）制造和装配方法与工艺

对关键工艺参数（如复合材料成型的温度、压力、时间；增材制造的激光功率、扫描速度、 材料参数 等）进行实时监控，确保其符合批准的工艺规范。例如，采用传感器监测热压罐内的温度分布，避免局部过热导致材料性能下降。

对首批生产的产品进行全要素检测，验证工艺稳定性；后续批量生产中定期抽检，确保质量一致性。

使用X射线、超声波等技术检测内部缺陷（如复合材料分层、裂纹），确保材料和工艺符合规范要求。

（c）材料强度性能测试

按照标准试验方法（如ASTM、ISO标准）进行拉伸、压缩、弯曲、疲劳等试验，获取材料强度数据。试验样本需覆盖不同批次、不同供应商的材料，确保数据具有代表性。

基于试验数据，采用统计方法（如最小二乘法、最大似然估计）拟合材料强度分布曲线，结合设计要求（如载荷谱、安全系数）制定设计值。

（d）温度对设计许用应力的影响

开展高温/低温试验，将关键部件或结构置于高温箱或低温箱中，模拟飞行中的极端温度环境，测试其力学性能（如强度、弹性模量）变化。例如，考核电推进系统附近高温环境下金属结构的疲劳强度下降以及复合材料的强度及耐久性下降。

开展热-力耦合试验，在施加机械载荷的同时，通过加热或冷却装置改变部件温度，验证其在热-力联合作用下的结构完整性。利用有限元分析软件模拟温度场分布，预测温度对结构应力的影响，与试验结果对比验证。

（e）设计值选择

基于材料强度试验数据，采用概率分布模型（如正态分布、威布尔分布）分析材料强度分布规律，确定设计值对应的失效概率。例如，通过统计大量金属材料的拉伸试验数据，计算其屈服强度的标准差，进而确定设计值。

在设计值基础上叠加安全系数（如1.5-2.0），以覆盖材料变异性、可接受的制造缺欠、尺寸容差、温湿度环境、外物冲击损伤、考虑维修的预留裕度等不确定性因素。

（f）保证最小值情况的特殊处理

对每一批次或每一单项材料样本进行强度试验，验证其实际强度是否等于或大于设计使用值。例如，对特殊合金材料的每一件产品进行拉伸试验，确保其强度高于设计要求的阈值。

建立完整的试验数据记录系统，确保每一项试验结果可追溯，为局方审查提供依据。

（g）其他材料设计值的使用

提供新材料的试验验证数据（如强度、疲劳寿命、环境适应性）和理论依据（如材料科学原理、使用经验），证明其设计值的合理性与安全性。

（h）最终符合性表明

向局方提交详细的符合性资料，包括试验大纲、试验报告、试验分析报告、材料性能数据、分析结论等，并经局方审批确认。

PART 05

实施考虑

针对eVTOL材料与工艺的适航验证，构建分级验证、数据驱动、全流程管控的系统化验证框架，以平衡安全性、技术与成本：

（a）分级验证：基于风险的递进式验证方法

eVTOL的适航验证需覆盖材料、部件到整机的全链条，同时针对其高复杂度、高风险特性（如分布式电推进、轻量化结构），采用风险导向的分级验证策略：

材料级验证聚焦基础性能与工艺，目标是确认材料在eVTOL材料基础性能（如强度、韧性、耐腐蚀性）及工艺相对于运行场景的安全性及适配性。

部件级验证聚焦功能集成与性能匹配，目标是验证部件在复杂构型及集成下的强度、可制造性及功能性能适配性。特别是针对旋翼及电池等特殊材料，例如，电池需通过针刺、过充、极端温度测试，满足航空级防火标准（如UL 2580）。

整机级验证是聚焦整机集成与安全冗余，目标是验证整机在真实飞行条件下的安全性、可靠性和综合功能性能。

（b）数据驱动：利用机器学习、AI优化材料性能预测模型

eVTOL的材料与工艺验证涉及大量数据（如材料性能、工艺参数、测试结果），通过机器学习、AI可建立预测模型，加速验证过程并降低成本。

1）材料性能预测模型

以历史测试数据、仿真数据、材料标准及规范中数据等为基础，采用回归分析、神经网络等算法，建立材料性能与工艺参数的映射关系，预测新材料或新工艺下的材料性能，减少验证试验次数，缩短研发周期。

2）工艺优化模型

以工艺参数、缺陷数据、生产效率数据等基础，通过强化学习或遗传算法，优化工艺参数组合，降低缺陷率，提高生产效率。

（c）全流程管控：通过MBSE实现设计-制造-使用闭环管理

使用MBSE（基于模型的系统工程）方法，通过数字化模型贯穿eVTOL的全生命周期，实现设计、制造、运营的协同优化。

1）设计阶段：聚焦需求驱动的设计建模

将适航标准转化为设计需求，确保设计符合规章要求。

通过模型定义eVTOL的结构及子系统（如旋翼、电动力），验证材料工艺适应性及系统功能性能。

利用多学科优化（MDO）工具，对气动性能、结构强度、热管理等进行协同仿真，优化设计方案。

2）制造阶段：聚焦工艺模型与质量控制

建立制造工艺的数字化模型（如3D打印激光粉末床熔融的工艺参数库），指导生产过程，加强制造过程质量控制。

3）使用阶段：聚焦数据驱动的持续适航

建立诸如故障预测与健康管理（PHM）系统等，收集相关数据（如温度、振动、应力）、维护记录等，利用时间序列分析或深度学习，预测部件寿命和故障风险，持续监控eVTOL的运行状态，实现预防性维修，并按需反馈至设计阶段，驱动产品迭代升级，确保其持续符合适航标准。如通过模型预测电池健康，提前更换老化电池，避免飞行风险；同时按需推动电池材料的升级优化。

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