民用飛機(jī)吊掛—機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道設(shè)計研究

趙海濤

[摘要]對于動力裝置翼吊布局的民用飛機(jī)而言，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道是最重要的系統(tǒng)布置通道之一。該通道周邊環(huán)境復(fù)雜，系置時需要權(quán)衡各方面利弊，本文根據(jù)通道周圍環(huán)境，提出三種通道設(shè)計方案，并從總體布置特性、安全性和維修性進(jìn)行分析，梳理各個方案弊并提出設(shè)計建議，為民用飛機(jī)吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]總體布置；系統(tǒng)布置；吊掛；機(jī)翼后緣

0引言

目前絕大部分民用飛機(jī)動力裝置采用尾吊式或翼吊式，對于動力裝置翼吊布局的飛機(jī)而言，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道是重要的系統(tǒng)布置通道之一，其作用是為貫穿吊掛與機(jī)翼后緣的系統(tǒng)管線路提供通路。由于該通道臨近機(jī)翼盒段、機(jī)翼固定后緣、襟翼、主起三角區(qū)等空間狹小、設(shè)備管線路眾多的復(fù)雜區(qū)域，所以在飛機(jī)設(shè)計過程中，該通道的設(shè)計會與臨近的重要結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)布置方案產(chǎn)生相互影響，進(jìn)而影響飛機(jī)的性能，所以吊掛一機(jī)翼后緣通道的布置應(yīng)當(dāng)與其他重要結(jié)構(gòu)件及系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，從而獲得較好的布置方案，滿足飛機(jī)性能、安全性和維修性的相關(guān)要求。

本文根據(jù)吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的特點(diǎn)，從總體布置特性、安全性和維修性三個方面進(jìn)行定性分析，梳理出各個方案的利弊，并提出設(shè)計建議，為民用飛機(jī)吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置設(shè)計提供參考。

1吊掛-機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道概述

1.1吊掛-機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道定義

本文討論的內(nèi)容主要基于現(xiàn)代民用飛機(jī)典型的總體布局形式，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：飛機(jī)采用動力裝置翼吊下單翼布局，外翼結(jié)構(gòu)采用雙梁式結(jié)構(gòu)，起落架采用前三點(diǎn)式布局，主起落架安裝在機(jī)翼的根部，向內(nèi)側(cè)收入機(jī)翼肌身的主起落架艙內(nèi)。

吊掛是連接動力裝置和機(jī)體的結(jié)構(gòu)件，除了要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求外，還要滿足系統(tǒng)的安裝要求，部分系統(tǒng)安裝在吊掛內(nèi)部，還有部分系統(tǒng)必須經(jīng)過吊掛與機(jī)體其他部位相連，這當(dāng)中絕大部分為管線路。雙梁式機(jī)翼在動力裝置站位附近的前、后梁之間通常作為燃油箱使用，固定前、后緣區(qū)域通常布置有飛控、液壓、EWIS（電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)）等系統(tǒng)的設(shè)備和管線路。根據(jù)這些特點(diǎn)，可以確定吊掛與機(jī)體的布置通道通常有兩個，一個是吊掛一機(jī)翼前緣通道，另一個是吊掛一機(jī)翼后緣通道，這兩個通道由于所處區(qū)域不同，周邊結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的布置要求不同，所以這兩個通道具有各自的特點(diǎn)，其中，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道周邊臨近外翼后梁、主起落架及其三角區(qū)結(jié)構(gòu)、襟翼、擾流板等結(jié)構(gòu)。吊掛一機(jī)翼系統(tǒng)布置通道如圖1所示。

1.2通道設(shè)計思路

系統(tǒng)布置通道的設(shè)計方案是在綜合各方面需求和方案的基礎(chǔ)上確定的，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的設(shè)計流程如圖3所示。

1.3吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道設(shè)計的限制因素

根據(jù)現(xiàn)代客機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道周圍有一些設(shè)計因素由于其重要性不能隨意更改，因此會限制通道的設(shè)計，同時這也是吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的特點(diǎn)，這些設(shè)計因素如下：

a）外翼后梁：以下簡稱后梁，是外翼非常重要的受力件，其位置確定之后的更改代價巨大，但可以在其上有限地開孔：

b）外翼后梁轉(zhuǎn)折點(diǎn)：以下簡稱后梁轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對于大展弦比機(jī)翼而言，為了提高外翼的剛度和燃油箱容量，后梁通常會在主起三角區(qū)附近發(fā)生轉(zhuǎn)折，并在轉(zhuǎn)折處通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接兩段后梁：

c）襟翼：作為重要的升力面，襟翼外形不能受到通道的影響，其無論吊掛后緣位于機(jī)翼展向的任何位置，襟翼都是距離通道最近的部件之一：

d）主起落架三角區(qū)：主起落架三角區(qū)用于傳遞主起落架傳遞的載荷，主要由輔助梁、肋和主起落架接頭組成。輔助梁一端通常與主起落架接頭相連，另一端與后梁和外翼翼肋相連，所以，輔助梁/后梁連接點(diǎn)與外翼盒段翼肋的位置有關(guān)系。輔助梁與外翼后梁連接加強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常是離吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道最近的部件之一：

e）外翼盒段蒙皮及長桁：外翼盒段蒙皮除了外翼前后梁之間的部分，通常還包括主三角區(qū)部分：長桁用于承受機(jī)翼蒙皮的拉壓變形。如果打斷長桁、減少長桁長度或在蒙皮上開孔，都會對外翼蒙皮受力產(chǎn)生不利影響：

f）擾流板作動器、襟翼作動器及其連接結(jié)構(gòu)：這些運(yùn)動部件受制于活動面位置不能輕易更改位置，所以，通道必須與這些部件保持足夠的間隙：

g）外翼固定后緣區(qū)域原有的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)：吊掛進(jìn)入外翼后緣的管線路會與原來布置在外翼后緣的系統(tǒng)管線路聚集在一起，且管路自身轉(zhuǎn)彎需要一定的空間，布置在外翼后緣的常見系統(tǒng)管線路包括液壓管路、EWIS線纜、飛控系統(tǒng)扭力管等；

h）氣動性能：吊掛一機(jī)翼后緣結(jié)合區(qū)域?qū)鈩有阅苡绊戄^大，表現(xiàn)在吊掛后緣越短、越寬。氣流越容易分離，吊掛后緣越窄，越不利于系統(tǒng)布置，吊掛后緣越長，對襟翼的氣流會產(chǎn)生影響，對于有些飛機(jī)采用吊掛后緣整流罩來增加吊掛后緣的空間，但是其對重量、氣動性能；

i）CCAR-25R4較R3版本，新增了EWIS線路的適航要求，主要體現(xiàn)在EWIS線路隔離要求，這使得EWIS線路的布置難度增加。

2吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道設(shè)計分析

2.1通道設(shè)計方案

根據(jù)1.1節(jié)通道定義和1.3節(jié)限制因素，吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的設(shè)計涉及吊掛后緣、外翼盒段、外翼固定后緣以及主起落架三角區(qū)這幾個主要區(qū)域，所以，可以確定以下三種路徑方案使系統(tǒng)管線路通過上述區(qū)域：

通道方案l：若吊掛后緣點(diǎn)位于輔助梁與后梁連接點(diǎn)以外（翼尖方向），吊掛后緣內(nèi)系統(tǒng)管線路通過外翼固定后緣下蒙皮的開口直接進(jìn)入外翼固定后緣區(qū)域：

通道方案2：若吊掛后緣點(diǎn)位于輔助梁與后梁連接點(diǎn)以內(nèi)（機(jī)身方向）吊掛后緣內(nèi)的系統(tǒng)管線路通過三角區(qū)下蒙皮的開口直接進(jìn)入三角區(qū)：

通道方案3：吊掛后緣內(nèi)的管線路全部或部分進(jìn)入外翼后梁之前的外翼盒段，再從外翼盒段穿過外翼后梁進(jìn)入外翼固定后緣區(qū)域或三角區(qū)。

下面將從總體布置特性、安全性和維修性對上述三個方案進(jìn)行分析，總結(jié)出各個方案的利弊。

2.2通道方案1分析

2.2.1總體布置特性分析

本方案如圖1和圖2所示，若吊掛后緣點(diǎn)位于輔助梁與后梁連接點(diǎn)的外側(cè)，利用吊掛后緣延伸到外翼后梁之后的部分，系統(tǒng)管線路直接由這一部分進(jìn)入外翼固定后緣，需要注意通道要避開輔助梁/后梁連接結(jié)構(gòu)，這是本方案的設(shè)計難點(diǎn)之一，除此之外，無需對外翼主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，只需在外翼固定后緣下壁板上開孔即可。

根據(jù)限制條件（h），吊掛后緣點(diǎn)要位于襟翼之前。同時為了滿足氣流品質(zhì)的要求，吊掛后緣外形在外翼后梁處的寬度和高度相比吊掛寬度和高度已非常小，所以這也是本方案設(shè)計的難點(diǎn)之一。

外翼固定后緣沿外翼展向，需要考慮避開固定后緣內(nèi)原有的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管線路，例如輔助梁/后梁連接結(jié)構(gòu)、活動面作動器、扭力管、液壓管路、EWIS線路等等，其中，避開結(jié)構(gòu)和活動面作動器的工作必須在初步總體方案階段就確定好，因為后期更改的代價很大。跟管線路之間的問題可以在后期的工作通過迭代的方法解決。

2.2.2安全性分析

根據(jù)1.3節(jié)（h）（i）的吊掛后緣氣動外形限制和EWIS安全性要求，如圖x所示，可以看出本方案用于布置的空間較小，若EWIS線路數(shù)量過多或者尺寸偏大的情況，可能會存其與液壓管路和燃油箱間隙不足從而導(dǎo)致可燃液體被點(diǎn)燃的風(fēng)險，所以，本文提出可以采取以下設(shè)計措施提高該通道的安全性：

1）在靠近吊掛和外翼的部位采用多個支架固定EWIS線路，這樣可減小EWIS線路的振幅：

2）對EWIS線路采取增加屏蔽層和保護(hù)層的措施，該方式可以在間隙不滿足要求的情況下，滿足隔離的要求，不過該方法不能夠明顯降低布置空間的使用：

3）在EWIS線路和可燃液體管路之間不滿足隔離要求的地方設(shè)計隔板：

4）吊掛后緣外形可以考慮在原始設(shè)計的基礎(chǔ)上，在管線路布置空間不足的區(qū)域設(shè)計整流罩或可動吊掛后緣以增大系統(tǒng)管線路布置空間，其中，整流罩的設(shè)計對氣動性能、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的影響較小，如A380內(nèi)側(cè)發(fā)動機(jī)吊掛后緣：可動吊掛后緣的設(shè)計更改量較大，對氣動性能、重量、結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響較大，一般在布置通道空間嚴(yán)重不足的情況下采用，如A320飛機(jī)的吊掛后緣。

上述這些措施都會對飛機(jī)重量、氣動特性產(chǎn)生影響，所以。布置方案必須要權(quán)衡所有受影響專業(yè)的利弊，在滿足安全要求的基礎(chǔ)上，對全機(jī)性能的影響最小。

2.2.3維修性分析

由于該通道在吊掛后緣和外翼固定后緣界面上的空間不足以及一些管線路本身的安裝需求，如果管線路需要通過接頭連接，那么接頭一定不能安裝在界面附近，最好能夠在空間比較充裕的外翼固定后緣內(nèi)安裝。

吊掛后緣兩側(cè)的蒙皮可以設(shè)計成可拆卸的蒙皮，對于進(jìn)入外翼固定后緣的管線路，只需要將通道附近的襟翼和擾流板打開，即可對通道內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行維修。所以本方案的維修性較好。

對于使用可動吊掛后緣的飛機(jī)，位于吊掛后緣內(nèi)的系統(tǒng)，需要拆除吊掛后緣活動部分和固定部分的結(jié)構(gòu)蒙皮才能進(jìn)行維護(hù)，維修性不受太大影響。

2.3通道方案2分析

2.3.1總體布置特性分析

根據(jù)限制條件（d）和本方案示意圖4可以看出，輔助梁，后梁連接點(diǎn)和三角區(qū)肋是三角區(qū)重要的受力結(jié)構(gòu)，難以更改，所以在初步設(shè)計過程中，通道的設(shè)計就應(yīng)該考慮避開這兩個因素，這也是本方案的設(shè)計難點(diǎn)之一。由于該通道在外翼的部分位于三角區(qū)之內(nèi)，而三角區(qū)內(nèi)由于相對封閉的特性，通常不會布置尺寸相對較大的設(shè)備，只會有一些管線路通過，所以該方案受外翼上布置系統(tǒng)設(shè)備的影響非常小。

2.3.2安全性分析

該方案的安全性分析與方案1類似，考慮到三角區(qū)空間相對于外翼固定后緣更小，所以該方案面臨的安全性問題比方案1更嚴(yán)重，2，22節(jié)的設(shè)計預(yù)防措施也適用于本方案，

2.3.3維修性分析

為了能夠更好地傳遞載荷，外翼下蒙皮通常與主起落架三角區(qū)的下蒙皮設(shè)計成一個整體，而三角區(qū)通常被主起落架接頭、輔助梁、后梁、蒙皮圍城了相對封閉的環(huán)境，所以，這樣的環(huán)境使得三角區(qū)內(nèi)的所有系統(tǒng)的維修性變得比較差，根據(jù)1.3節(jié)限制因素（d）（e）可知，想要對三角區(qū)的系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，只能借助輔助梁上的減輕孔，如果三角區(qū)內(nèi)管線路較多的話，可以考慮在三角區(qū)上、下蒙皮上設(shè)計若干維修口蓋，把管路接頭布置在離維修口蓋最近的地方，但是維修口蓋的尺寸受三角區(qū)肋的影響，其尺寸不能太大，所以如果三角區(qū)內(nèi)布置空間比較狹小，也可以把接頭布置在吊掛后緣內(nèi)部。

2.4通道方案3分析

2.4.1總體布置特性分析

本方案如圖5所示，該方案的特點(diǎn)是吊掛內(nèi)全部或部分系統(tǒng)由吊掛后緣在外翼后梁之前的站位進(jìn)入外翼盒段，所以由后梁之后進(jìn)入外翼固定后緣的管線路數(shù)量變少，所以布置通道和吊掛后緣外形之間的相互影響也會變小，且盒段內(nèi)部空間相對充裕，可以足以布置相對較多的管線路。但是，由于盒段內(nèi)部用于布置管線路的空間通常設(shè)計成無油區(qū)域，所以外翼油箱的總油量會略受影響。對于結(jié)構(gòu)而言，管線路穿過下蒙皮和后梁。會影響部分外翼長桁、下蒙皮和后梁的強(qiáng)度，所以，對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)會使重量增加，所以，總體專業(yè)需要在氣動性能和結(jié)構(gòu)增重之間進(jìn)行權(quán)衡。

2.4.2安全性分析

管線路進(jìn)入外翼盒段，需要考慮油箱的安全性，所以通常將通道位于外翼盒段內(nèi)的部分設(shè)計成無油區(qū)，可以避免燃油泄漏等風(fēng)險的產(chǎn)生。

另外，前兩個方案的難點(diǎn)是在吊掛后緣空間緊張的區(qū)域，可燃液體管路和EWIS線路隔離不夠，所以，根據(jù)本方案的提供的通道，可以將可燃液體管路布置在外翼盒段，將EWIS線路布置在后梁后進(jìn)行隔離，由于通過后梁之后的管線路數(shù)量減少，所以本方案對于吊掛后緣氣動外形設(shè)計的影響也會大大降低。

2.4.3維修性分析

該方案由于一些管線路布置在外翼盒段內(nèi)，而下蒙皮、長桁和后梁都是重要的受力件，所以無法通過在這些結(jié)構(gòu)上開維護(hù)口蓋的方式對外翼盒段內(nèi)部的管線路進(jìn)行維護(hù)，只有可能在無油區(qū)和燃油箱的隔板或翼肋上設(shè)計維護(hù)口蓋，這樣只有在外翼油箱燃油排掉之后才能對通道位于外翼盒段的部分進(jìn)行維護(hù)，所以，如果有管線路必須要布置在外翼盒段內(nèi)，必須保證這些管線路具有較高的可靠性，降低維修頻率，對于不經(jīng)過外翼盒段的管線路，其維修性可以參考方案1和2的維修性評估。

3綜合分析和結(jié)論

本文根據(jù)吊掛一機(jī)翼后緣的設(shè)計特點(diǎn)，提出三種可能的吊掛民用飛機(jī)吊掛-機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的設(shè)計方案，并對三種的方案在總體布置特性、安全性和維修性三個方面進(jìn)行了分析，以下內(nèi)容將對本文之前的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

吊掛-機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道的設(shè)計兩個因素：吊掛一機(jī)翼氣動性能和臨近結(jié)構(gòu)布置及強(qiáng)度這兩個因素，其中，系統(tǒng)布置通道對氣動性能的影響主要表現(xiàn)主要在氣動阻力的增加，而為了滿足氣動性能，系統(tǒng)布置通道也會受到吊掛外形的限制，另外，吊掛一機(jī)翼后緣區(qū)域臨近主起落架、三角區(qū)、外翼后梁等重要受力結(jié)構(gòu)件，通道的設(shè)計必須在初步設(shè)計階段確定好與上述結(jié)構(gòu)件的相對位置。根據(jù)第三章對三種通道方案的分析，本文對三種方案進(jìn)行打分以評價在設(shè)計難易程度，如表l所示。

根據(jù)表1所示，對三個方案進(jìn)行評述：

通道方案1：總分最高，沒有1分項，說明該通道的設(shè)計對各個方面的影響不大，比較平均，所以設(shè)計難度相對較低，有利于各個專業(yè)之間的協(xié)調(diào)。

通道方案2：總分最低，且有三個1分，說明該通道設(shè)計難點(diǎn)多、難度大，一般不建議采用通道2方案。

通道方案3：總分略低于方案1，但有兩個1分，說明該方案在滿足了系統(tǒng)布置和較好的氣動性能的同時，犧牲了結(jié)構(gòu)重量和維修性，這就需要設(shè)計人員充分評估全機(jī)性能來最終確定是否使用該方案，

為了能夠更好的設(shè)計吊掛一機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道。本文給出以下建議：在總體設(shè)計初步階段就對可能出現(xiàn)的系統(tǒng)布置通道方案進(jìn)行評估，確定方案之后，應(yīng)該評估確定三種通道形式與氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)布置的關(guān)系，以免后續(xù)更改代價過大：第二步是在確定了通道方案之后，系統(tǒng)布置工作過程通過迭代的方式中保證系統(tǒng)布置通道的安全性和較好的維修性。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]