民機(jī)復(fù)合材料平尾安定面兩種結(jié)構(gòu)布局分析

劉杰

摘 要：越來(lái)越多的民用飛機(jī)平尾采用復(fù)合材料制造，該結(jié)構(gòu)通常采用兩種典型布局，即雙梁多肋式結(jié)構(gòu)布局或多梁（墻）式結(jié)構(gòu)布局。從適航、重量、裝配和結(jié)構(gòu)承載等多個(gè)角度對(duì)兩種典型復(fù)合材料平尾結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了分析，提出多梁或者多墻式布局的缺點(diǎn)和不合理性，并建議采用雙梁式布局。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；平尾；多梁；適航審定

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）14-0001-02

由于復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、疲勞特性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，本文以平尾安定面的兩種典型結(jié)構(gòu)布局為研究對(duì)象，并從復(fù)合材料平尾結(jié)構(gòu)的適航符合性角度進(jìn)行分析。

1 平尾的設(shè)計(jì)要求和典型布局

平尾主要用來(lái)平衡飛機(jī)其他部件因空氣動(dòng)力和慣性力所產(chǎn)生的力矩和操縱飛機(jī)做俯仰機(jī)動(dòng)。設(shè)計(jì)平尾時(shí)，需要注意滿足以下幾方面的要求：①氣動(dòng)外形要求。用來(lái)滿足氣動(dòng)阻力和升力特性的要求。②強(qiáng)度—重量要求。應(yīng)能承受各種規(guī)定載荷的強(qiáng)度或剛度要求，同時(shí)在飛行范圍內(nèi)不得發(fā)生靜、動(dòng)氣動(dòng)彈性的不穩(wěn)定現(xiàn)象（顫振、發(fā)散等）。③使用維修要求。應(yīng)考慮平尾安定面是承受重復(fù)載荷作用的部件，對(duì)結(jié)構(gòu)的檢查應(yīng)具有良好的可見(jiàn)性、可達(dá)性和快速、高質(zhì)量修理的能力。④工藝性要求。由于平尾的翼型較薄，主盒段翼盒高度低，結(jié)構(gòu)高度小，裝配通路狹窄，更應(yīng)注意良好的工藝性設(shè)計(jì)。

平尾安定面常采用兩種典型的結(jié)構(gòu)布局，即雙梁多肋式和多梁（墻）式。B737，B757，B767，A320，A340-300，A340-600，A350，C919等主流民用飛機(jī)的平尾均采用雙梁多肋式結(jié)構(gòu)布局。F16和B787的平尾則采用了多梁式結(jié)構(gòu)布局。

2 膠接結(jié)構(gòu)的適航審定要求

民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)必須考慮適航符合性。所謂的膠接是指通過(guò)膠接工藝形成的結(jié)構(gòu)連接，是由一個(gè)或多個(gè)預(yù)先固化好的復(fù)合材料或金屬零件組成的結(jié)構(gòu)。民用飛機(jī)復(fù)合材料平尾由于裝配高度小、機(jī)械連接難度大，往往采用共固化或共膠接的方式裝配。

對(duì)于復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的適航審定，通常按照咨詢通告AC20-107B進(jìn)行。AC20-107B指出，14 CFR§23.573（a） 對(duì)主要復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)正式規(guī)定了如下要求，包括對(duì)損傷容限、疲勞和膠接連接的考慮。雖然這是針對(duì)小飛機(jī)的準(zhǔn)則，通常預(yù)期對(duì)運(yùn)輸機(jī)和旋翼機(jī)類飛機(jī)會(huì)采用同樣的性能標(biāo)準(zhǔn)（通過(guò)專用條件和問(wèn)題紀(jì)要）。（a）對(duì)于任何膠接接頭，§23.573（a）（5）部分規(guī)定：“對(duì)任何膠接連接件，如果失效可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果，必須至少用下列一種方法驗(yàn)證其限制載荷能力：①用分析、試驗(yàn)或兩者兼用的方法確定每個(gè)膠接連接件能承受（a）（3）載荷的最大脫膠范圍。對(duì)于大于該值的情況，必須從設(shè)計(jì)上加以預(yù)防；②對(duì)每個(gè)將承受臨界限制設(shè)計(jì)載荷的關(guān)鍵膠接連接件的批生產(chǎn)件進(jìn)行驗(yàn)證檢查；③必須建立可重復(fù)的、可靠的無(wú)損檢查方法，以確保每個(gè)連接件的強(qiáng)度?！?/p>

根據(jù)EASA適航當(dāng)局官員的建議，應(yīng)避免采用全膠接結(jié)構(gòu)形式，由于目前還無(wú)法預(yù)測(cè)開(kāi)膠，證明損傷容限要求相關(guān)的符合性是十分困難的。通常要進(jìn)行假定兩個(gè)機(jī)械連接或緊固件之間全部開(kāi)膠的限制載荷試驗(yàn)。另外，所有膠接連接應(yīng)保證無(wú)損檢測(cè)時(shí)具有充分的可達(dá)性。

3 平尾典型結(jié)構(gòu)布局分析

平尾結(jié)構(gòu)布局采用何種形式更好，通常根據(jù)在滿足同樣設(shè)計(jì)要求的前提下，結(jié)構(gòu)重量最輕，且易于適航審定的原則判定。

雙梁多肋式平尾布局的優(yōu)點(diǎn)分為以下幾個(gè)方面：①結(jié)構(gòu)制造成本低，抗扭剛度高，抗顫振品質(zhì)較好，且結(jié)構(gòu)效率高，結(jié)構(gòu)重量較輕；②兩個(gè)梁根部常采用集中接頭與機(jī)身或者平尾中央盒段連接，裝配方便；③翼肋對(duì)升降舵懸掛支臂起到合理的支撐，傳力直接、有效。

多梁（墻）式布局存在以下幾方面的問(wèn)題：①平尾翼型較薄，后緣安裝升降舵，翼盒一般較狹小，布置空間有限，不放便布置多個(gè)梁或墻。②多梁布局的平尾如果采用多個(gè)集中接頭連接，裝配界面復(fù)雜且精度不易控制，增加了裝配時(shí)間和成本。③平尾所受的扭矩主要由前、后梁和上、下壁板組成的盒段承受，而多梁式布局平尾除前、后梁外，其他梁則對(duì)扭矩的作用可忽略，因此增加了結(jié)構(gòu)重量。④多梁式結(jié)構(gòu)布局布置翼肋時(shí)很不方便，所以平尾的氣動(dòng)外形不易得到保證。而且，沒(méi)有翼肋的滯止，梁或墻與蒙皮之間的最大脫膠范圍難以界定，適航審定難度大。⑤平尾安定面如果采用多梁式布局（無(wú)翼肋），升降舵懸掛支臂位置需要翼肋作為支撐，如果不能布置翼肋，則傳力路徑不合理，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重。⑥多梁式布局結(jié)構(gòu)中，長(zhǎng)桁和蒙皮的間距較大，大大降低了蒙皮的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致增重。⑦多梁式結(jié)構(gòu)布局的平尾盒段被多個(gè)梁分隔為幾個(gè)閉室，裝配通路十分有限，裝配難度加大，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，報(bào)廢率高。⑧即使是T型布局的高平尾，也不能避免冰雹沖擊損傷的可能性，加之制造、裝配、使用、維護(hù)過(guò)程中同樣存在踩踏、工具掉落的可能性，復(fù)合材料膠接平尾結(jié)構(gòu)必須要考慮膠接如何進(jìn)行適航符合性證明。⑨軍機(jī)常采用多梁布局，是為了提高戰(zhàn)斗力和生存能力，而民機(jī)的設(shè)計(jì)顯然需要考慮適航的要求。波音公司對(duì)膠接分層或開(kāi)膠也制定了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需要“證明由于制造、環(huán)境或意外事故引起的膠接面損傷不會(huì)擴(kuò)展到使剩余強(qiáng)度降低到小于限制載荷承載能力”。因此，B787平尾在選用多梁布局時(shí)也遵循該原則，這也對(duì)大多數(shù)公司的膠接結(jié)構(gòu)驗(yàn)證技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足民用飛機(jī)平尾的通用設(shè)計(jì)要求和適航審定要求，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代民用飛機(jī)中多個(gè)型號(hào)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)分析得出，采用復(fù)合材料的民用飛機(jī)平尾（大展弦比），宜采用雙梁多肋式結(jié)構(gòu)布局，而多梁（墻）式則適用于軍用戰(zhàn)斗機(jī)薄翼型（中、小展弦比）。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)民用航空總局，第132號(hào)令.CCAR-23-R3 正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定[S].2004-10-12.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： A growing number of civilian aircraft horizontal tail made of composite materials， the structure usually two typical layout， namely dual-beam or multi-ribbed structure layout （wall） structure layout beams. Airworthiness from multiple angles， weight， and other assembly and structure carrying two typical composite horizontal tail structure and layout were analyzed， shortcomings and irrationality multi-beam or multi-wall layout and recommended dual beam layout.

Key words： composite materials； hirao； multi-beam； airworthiness certification