民機(jī)復(fù)合材料油箱維護(hù)口蓋研究

葛建彪 / GE Jianbiao(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

民機(jī)復(fù)合材料油箱維護(hù)口蓋研究

葛建彪 / GE Jianbiao
(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

復(fù)合材料作為一種優(yōu)良的航空材料，具有比強(qiáng)度高、比剛度大，材料力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)因制造性和維護(hù)性要求需要開維護(hù)孔，需要安裝合適的油箱口蓋結(jié)構(gòu)。通過中央翼復(fù)合材料油箱口蓋設(shè)計(jì)并開展制造工藝研究，對(duì)民用飛機(jī)復(fù)合材料油箱口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

復(fù)合材料；油箱口蓋；研究；民用飛機(jī)

0 引言

復(fù)合材料相比于金屬材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，一般情況下復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、制造工藝簡單以及材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。高性能的復(fù)合材料在設(shè)計(jì)和制造上得到了很大的發(fā)展。目前大多數(shù)先進(jìn)民用飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)均使用復(fù)合材料。本文選取民用飛機(jī)中央翼復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)來進(jìn)行研究分析。

飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)必須設(shè)置維護(hù)口蓋以提供維修通路，需在中央翼后梁結(jié)構(gòu)上布置相應(yīng)的人孔為翼盒內(nèi)部提供維護(hù)和裝配通道?？刹鹦兜木S護(hù)口蓋用于封閉人孔并密封整體油箱，構(gòu)成油箱表面的一部分，同時(shí)口蓋可以保護(hù)油箱免受所有可能遇到的沖擊、雷擊、火情等威脅。維護(hù)口蓋的布置如圖 1 所示[1]。

1 布置思路

根據(jù)CCAR25.963及相關(guān)咨詢通報(bào)的要求，維修口蓋需滿足密封、耐火及沖擊損傷要求，另外，維修口蓋還需滿足CCAR25.581條關(guān)于閃電防護(hù)的要求。另外，復(fù)材機(jī)翼油箱區(qū)維護(hù)口蓋是非承力口蓋，不參與結(jié)構(gòu)載荷傳遞，只需承受油壓載荷和特殊沖擊載荷。

與傳統(tǒng)外翼油箱口蓋不同，中央翼后梁油箱口蓋布置于飛機(jī)起落架艙內(nèi)，不可避免會(huì)受到各種不同類型的沖擊。通過在口蓋周邊布置相應(yīng)的鈦合金加強(qiáng)板來抗沖擊外，同時(shí)需將口蓋厚度定義在滿足沖擊要求的許用范圍內(nèi)。

維修口蓋通過與中央翼后梁加強(qiáng)鈦板貼合，貼合面區(qū)不做表面處理和涂漆，以傳導(dǎo)雷擊電流和防止電火花產(chǎn)生。

維修口蓋必須滿足在2 000℉的火焰下，5 min時(shí)間內(nèi)不被破壞。飛機(jī)在使用過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)由于自身原因、鳥撞、腐蝕或者其他外界因素導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)起火。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)翼吊式飛機(jī)來講，飛行過程中如果發(fā)動(dòng)機(jī)起火，火焰會(huì)隨著氣流向后移動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)后面的油箱和口蓋處于高溫火焰區(qū)域。如果口蓋在高溫火焰的環(huán)境下密封失效，就會(huì)導(dǎo)致燃油泄漏。當(dāng)燃油的流失達(dá)到引起火災(zāi)的危險(xiǎn)程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油箱的爆炸，嚴(yán)重危及旅客的生命安全。因此油箱口蓋需充分考慮高溫火焰的影響。復(fù)合材料中央翼油箱口蓋設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及工藝

2.1 結(jié)構(gòu)布置

口蓋結(jié)構(gòu)為板材整體機(jī)加而成，維護(hù)口蓋與油箱結(jié)構(gòu)直接通過托板螺母夾持安裝。油箱口蓋的密封采用橡膠密封圈形式，通過擠壓密封卡槽來實(shí)現(xiàn)口蓋的密封，局部區(qū)域涂油箱密封劑。因中央翼油箱在飛行工況中的變形無機(jī)翼大，壓環(huán)與口蓋結(jié)構(gòu)之間無需布置外翼口蓋的防磨酚醛墊圈，其它結(jié)構(gòu)件與外翼口蓋一致?？谏w密封及夾持方式如圖3所示。

密封圈采用傳統(tǒng)油箱密封的丁晴橡膠材料?？紤]到接近復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)，所有口蓋金屬結(jié)構(gòu)材料均為鈦合金，為提高人孔周邊強(qiáng)度，連接橢圓形鈦合金板來補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，并能抵抗起落架艙區(qū)域的面外沖擊。

2.2 口蓋尺寸定義

根據(jù)人體尺寸，對(duì)于橢圓形或由2～3 段圓弧組成輪廓的維護(hù)口蓋為最適合人員進(jìn)入油箱的形狀?？谏w尺寸確定主要考慮人體進(jìn)入和維護(hù)需求，但同時(shí)應(yīng)考慮口蓋周邊的應(yīng)力集中帶來的強(qiáng)度和損傷容限要求，尤其需考慮口蓋補(bǔ)強(qiáng)所付出的重量代價(jià)。口蓋的短軸尺寸(弦向尺寸)對(duì)于人體尺寸更為臨界，長軸尺寸取決于空間站位間距所允許的空間。 由于進(jìn)入油箱的方式不同，外翼油箱人孔尺寸一般比中央翼油箱人孔小，導(dǎo)致中央翼油箱開孔帶來的應(yīng)力集中及材料損失更明顯。

2.3 緊固件連接

油箱需要經(jīng)常維護(hù)，油箱口蓋需要經(jīng)常拆卸，同時(shí)口蓋為非承力件，一般連接托板螺母緊固件以固定口蓋。螺栓選用鈦合金材料普通螺栓，托板螺母為常規(guī)鉚接式安裝形式。對(duì)于如圖3所示鈦合金加強(qiáng)板，通過高鎖螺栓與復(fù)合材料油箱壁板連接。高鎖螺栓濕安裝配合、端頭封包，以滿足靜電及密封要求。

3 電搭接設(shè)計(jì)

油箱口蓋相對(duì)于油箱結(jié)構(gòu)而言通常是半絕緣的。當(dāng)口蓋遭到雷擊時(shí)，在接觸面處就會(huì)產(chǎn)生電火花，從而有可能引起爆炸。為此油箱口蓋的防雷擊設(shè)計(jì)很重要的。

復(fù)合材料油箱口蓋的防護(hù)措施與金屬口蓋類似，但需要在復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)共固化一層導(dǎo)電編織網(wǎng)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電編織網(wǎng)和防靜電涂層必須搭接到主結(jié)構(gòu)或次結(jié)構(gòu)上，形成一個(gè)電氣連續(xù)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于口蓋與碳纖維及加強(qiáng)鈦板等主結(jié)構(gòu)接觸的位置，應(yīng)打磨接觸區(qū)打磨，碳纖維表面打磨露出導(dǎo)電編制網(wǎng)，形成相應(yīng)的導(dǎo)電通路。[2-3]

4 結(jié)論

本文通過對(duì)民用飛機(jī)復(fù)合材料中央翼油箱口蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，探討了口蓋設(shè)計(jì)過程中的防撞擊，防火及閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，布置了合理有效的復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)的口蓋形式，通過未來民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，為復(fù)合材料油箱的設(shè)計(jì)制造打下了一定基礎(chǔ)，將加快民用航空產(chǎn)業(yè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第 10 冊(cè): 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [M]． 北京: 航空工業(yè)出版社，2001．

[2] 牛春勻( 美) 著．實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)[M]． 程小全譯． 北京: 航空工業(yè)出版社，2008．

[3] 牛春勻( 美) 著．實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)[M]． 馮振宇，程小全，譯． 北京: 航空工業(yè)出版社，2009．

Research on Composite Fuel Tank Access Door for Civil Aircraft

Composite as excellent aviation material is widely used due to its high intensity, stiffness and designable performance. In order to satisfy manufacture process and maintain requirement, the composite fuel tank needs to open hole with the appropriate fuel tank access door. This paper describes design and manufacturing method of composite fuel tank access door, which could provide technical support for composite fuel tank access door of civil aircraft.

composite; fuel tank access door; research; civil aircraft

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.019

V228.1+1

A

葛建彪 男，碩士，工程師。主要研究方向：中央翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；E-mail： gejianbiao@comac.cc