民用飛機垂直安定面結(jié)構型式分析

李洪昌

摘 要：垂直安定面用以保證飛機航向的平衡與穩(wěn)定性，并懸掛方向舵以對飛機實施航向操縱。垂直安定面結(jié)構型式的選擇將直接影響其剛度和強度性能，選擇合適的結(jié)構型式，可以使飛機在結(jié)構重量，制造和運營、維護成本方面更具優(yōu)勢，進而提升飛機的市場競爭力。該文通過對目前航線上運輸類飛機垂直安定面結(jié)構型式的歸納、對比和分析，總結(jié)出垂直安定面各種結(jié)構型式的優(yōu)缺點，可供相關飛機設計人員參考。

關鍵詞：飛機 垂直安定面 結(jié)構型式

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（a）-0071-02

垂直安定面用以保證飛機航向的平衡與穩(wěn)定性，并懸掛方向舵以對飛機實施航向操縱。垂直安定面結(jié)構不僅要承受自身的氣動和慣性載荷，還要承受方向舵通過其懸掛接頭和操縱接頭傳遞的集中載荷。為達到足夠的臨界顫振速度和確保方向舵的正常偏轉(zhuǎn)，垂直安定面一般按剛度設計，而結(jié)構型式的選擇將直接影響其剛度和強度性能。根據(jù)總體和功能要求，選擇合適的結(jié)構型式，可以在滿足剛度、強度和功能的前提下，減輕垂直安定面的結(jié)構重量，或者改善其工藝性、維護性，從而提升飛機的經(jīng)濟性和市場競爭力。

該文針對目前航線上運營的主要客機，對其垂直安定面的結(jié)構型式進行了對比分析，總結(jié)了不同結(jié)構型式的優(yōu)缺點及其對制造工藝的要求，以供相關工程設計人員參考。

1 垂直安定面盒段結(jié)構型式

目前民用飛機的垂直安定面盒段大致有兩種結(jié)構型式：一種是雙梁（或帶輔助中梁）+翼肋和壁板組成主承力翼盒的“單閉室”結(jié)構，空客各型客機、波音737以及高平尾布局的MD82/90和CRJ各型飛機的垂直安定面均采用這種結(jié)構型式；另一種是主承力翼盒+輔助扭力翼盒（前緣艙）的“雙閉室”結(jié)構，這種結(jié)構型式從波音747客機開始使用，一致延續(xù)到最新的787客機。兩種結(jié)構型式如圖1所示。

對比兩種垂直安定面盒段的結(jié)構型式可以發(fā)現(xiàn)，“單閉室”盒段的結(jié)構較為簡單，結(jié)構件少，有利于簡化裝配工藝；而“雙閉室”的結(jié)構則相對復雜，結(jié)構件較多，裝配工藝較為煩瑣。但采用“雙閉室”型式的垂直安定面由于在前梁前面增加了輔助梁（前緣梁），使得垂尾前緣的抗鳥撞性能大為提升，也提高了垂尾的抗扭剛度，同時輔助扭力翼盒的設計也為系統(tǒng)構件提供了安裝空間，便于對運營飛機垂尾內(nèi)系統(tǒng)構件的檢查、維護和更換。

歸納兩種結(jié)構型式所涵蓋的機型還可以發(fā)現(xiàn)，波音公司從747一直到787飛機，均采用了“雙閉室”的垂直安定面，而空客公司的各型飛機和波音早期機型737則采用“單閉室”型式的垂直安定面，這種設計理念的不同主要應歸因于歐美適航條款對于垂尾抗鳥撞要求的差異。歐洲航空安全局（EASA）在其運輸類飛機適航標準CS-25.631中要求，尾翼結(jié)構應能承受重1.8kg鳥的撞擊。而美國聯(lián)邦航空局（FAA）受1962年“子爵號”空難事件的影響，在其后修訂的FAR-25.631中，增加了對尾翼結(jié)構能夠承受重3.6 kg鳥撞的要求[1]。由于FAR-25對鳥撞要求更為嚴格，因此波音公司的客機采用“雙閉室”型式的垂直安定面，這種結(jié)構型式在保證適航條款對抗鳥撞要求的同時具有重量優(yōu)勢，國內(nèi)某型飛機進行的垂尾前緣鳥撞試驗也驗證了這一點。

2 垂直安定面與機身的連接型式

垂直安定面后方懸掛方向舵，下端固定于機身上。在投入航線運營的客機上，垂直安定面與機身的連接型式主要有三種：

梁框連接型式：垂直安定面的梁插入機身與機身隔框連接。

整體接頭型式：垂直安定面復材壁板下端伸出耳片與機身的雙耳接頭連接。

獨立接頭型式：通過主承力翼盒下端的獨立金屬接頭與機身連接。

三種連接型式的示意圖見圖2。

梁框連接型式在高平尾布局的飛機中較為常見，如MD82/90，CRJ等。這種垂直安定面與機身的連接型式傳力直接，連接牢靠，連接剛度大，適合于對垂尾剛度要求較高的高平尾布局飛機。但梁框連接型式的垂直安定面與機身工藝分離面不明確，垂尾需要與機身裝配后整體交付與運輸，不利于多個制造廠商的分工協(xié)作，而且垂直安定面中梁的緣條和腹板一般為分離設計，僅適用于金屬結(jié)構的組合梁，故在復合材料垂尾的飛機中不采用這種連接型式。

整體接頭的連接型式多見于空客的飛機，如A300、A320、A330及A380等，這種連接型式用于復合材料結(jié)構的垂直安定面，其結(jié)構簡潔，連接件少，傳力路線連續(xù)且簡單、直接，垂直安定面根部的接頭與復合材料加筋壁板設計為一個整體，可以避免傳力路徑的轉(zhuǎn)折，減少附加彎矩的產(chǎn)生，能以相對較輕的重量來滿足結(jié)構強度和功能要求，同時也使裝配工藝得到簡化。但這種整體接頭的連接型式也有很大不足，首先是由于接頭處厚度很大，對制造工藝的要求非常高，復合材料制件固化后的變形控制比較困難，而且加筋壁板整體接頭的成型工藝復雜；其次是垂直安定面與機身接頭的配合精度要求高，需要專門的工裝配合；再次就是飛機投入航線運營后，連接接頭一旦損壞，其修理和更換將及其困難。

獨立接頭的連接型式一直被波音公司所采用，如757、767、787等，波音737與747飛機垂直安定面與機身的連接型式也可歸屬于這一類。另外，空客公司最新的A350飛機也采用了這一連接型式。獨立接頭連接型式的優(yōu)點是零件制造工藝相對簡單，結(jié)構傳力分工明確，連接結(jié)構損壞后的修理和更換也比較方便，維護和修理成本較低。但其缺點是連接件多，裝配復雜，且重量相對較大；連接件受力中心線與壁板蒙皮存在偏心，局部蒙皮要承受較大彎矩；壁板與接頭件需要機械連接，壁板上的螺栓孔將導致復合材料的纖維被剪斷，強度損失比較大。

3 結(jié)語

歐美適航條款對飛機抗鳥撞要求的差異，直接影響著垂直安定面盒段的結(jié)構型式。中國民用航空規(guī)章CCAR-25-R3中對尾翼抗鳥撞的要求與FAR-25相同[2]，而“雙閉室”的垂直安定面對于飛機抵抗鳥撞有顯著優(yōu)勢，故這種結(jié)構型式對國產(chǎn)飛機的設計更具參考意義。

對于復合材料結(jié)構的垂直安定面，在三種與機身的連接型式中，整體接頭型式或者獨立接頭型式是較好的選擇。整體接頭型式連接效率高，結(jié)構重量輕，這種連接型式原來一直被空客公司所采用，也是其復合材料結(jié)構設計和制造的典范，但在其最新的A350上，卻改用了獨立接頭的連接型式，垂直安定面根部與機身件通過五對金屬接頭連接，這也是空客公司對飛機的結(jié)構重量、制造、維護和修理成本均衡考量后的優(yōu)化結(jié)果。

參考文獻

[1] 張柱國，郝一鳴.運輸類飛機鳥撞及符合性驗證綜述[J].航空科學技術，2013（6）：

1-4.

[2] 運輸類飛機適航標準.中國民用航空規(guī)章第25部，CCAR-25-R3.中國民航總局[S].2001.endprint