民用飛機平尾前緣布置設計

楊粉蓉 凡玉 李鵬

【摘 要】平尾前緣是指沿弦向位于平尾盒段前梁之前的非活動翼面結構部分，主要布置有結構隔板、除冰系統(tǒng)、液壓管路、電氣電纜等。本文主要介紹了民用飛機平尾前緣布置原則和影響因素，為民用飛機平尾前緣布置提供了設計方法和思路。

【關鍵詞】平尾；前緣；布置

中圖分類號： V216 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.038

【Abstract】Horizontal stabilizer leading edge is the non-movable structure which is located in front of the spar box. The structural rib，deicing system，hydraulic pipes and electric cable are installed in/on the leading edge.This paper mainly introduces the layout design principle and influencing factors of civil aircraft horizontal stabilizer leading edge， and provides design methods and thoughts for the civil aircraft horizontal stabilizer leading edge layout.

【Key words】Horizontal stabilizer；Leading edge；Layout

0 引言

民用飛機水平尾翼按區(qū)域分為前緣、盒段、后緣和升降舵；平尾前緣指沿弦向位于平尾盒段前梁之前的非活動翼面結構部分。平尾前緣主要受氣動載荷和慣性載荷，不參與平尾總體受力；主要功能為保持氣動外形，減小飛機阻力，保護主承力結構避免受到沖擊損傷[1，2]。

平尾前緣布置的重點是考慮前緣抗鳥撞要求和除冰要求。為滿足前緣抗鳥撞要求，平尾前緣結構中常布置有密肋結構（如圖1）、附加蒙皮結構（如圖2）或者斜梁結構（如圖3）。為滿足前緣除冰要求，前緣內部都布置有除冰系統(tǒng)。為了不影響盒段主結構的整體傳力要求，液壓管路及EWIS電纜布置常穿過前緣[3-6]。

平尾前緣空間不大但作用十分關鍵，在飛機設計初期，需從總體的角度出發(fā)，全面考慮相關專業(yè)要求，合理布置，以滿足飛機最佳性能，并以飛機適航取證為最終目標。

1 布置原則

民用飛機平尾前緣是滿足平尾抗鳥撞要求和除冰要求的重要區(qū)域，對其內部各系統(tǒng)設備及元件進行布置設計的目標與原則如下：

1）滿足抗鳥撞要求；

2）滿足除冰系統(tǒng)安裝要求；

3）前緣內的液壓管路、電氣設備及電纜布置必須確保安全性、可靠性和可維護性，滿足相關適航條款要求。

2 布置設計要求

民用飛機平尾前緣在總體布置設計時，應在符合CCAR-25-R4適航條款要求的基礎上，滿足總體設計要求及其他相關系統(tǒng)設計要求。

2.1 適航要求

平尾前緣布置設計時，所有的結構及系統(tǒng)安裝均要滿足以下適航條款要求：

1）CCAR 25.301 載荷；

2）CCAR 25.303 安全系數(shù)；

3）CCAR 25.581 閃電防護；

4）CCAR 25.609 結構保護；

5）CCAR 25.611 可達性措施；

6）CCAR 25.631 鳥撞損傷；

7）CCAR 25.869 系統(tǒng)防火；

8）CCAR 25.1301 功能和安裝；

9）CCAR 25.1309 設備、系統(tǒng)及安裝；

10）CCAR 25.1316 系統(tǒng)閃電防護；

11）CCAR 25.1353 電氣設備及安裝；

12）CCAR 25.1431 電子設備；

13）CCAR 25.1435 液壓系統(tǒng)。

2.2 總體布置要求

1）滿足平尾前緣抗鳥撞要求；

2）滿足除冰系統(tǒng)安裝與維護要求；

3）飛機內部設備、系統(tǒng)配置原則上服從于結構主受力件布置。

2.3 平尾前緣抗鳥撞要求

尾翼結構的設計必須保證飛機在與3.6公斤（8磅）重的鳥相撞之后，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸，相撞時飛機的速度（沿飛機飛行航跡相對于鳥）等于按第25.335（a）條選定的海平面VC。通過采用靜不定結構和把操縱系統(tǒng)元件置于受保護的部位，或采用保護裝置（如隔板或吸能材料）來滿足本條要求是可以接受的。在用分析、試驗或兩者的結合來表明符合本條要求的情況下，使用結構設計類似的飛機的資料是可以接受的。

2.4 除冰系統(tǒng)布置要求

飛機在結冰氣象條件下飛行時，云層中的過冷水滴撞擊并凍結在水平尾翼表面，造成重量及阻力的性能代償損失，影響飛機安全，所以飛機必須設置防冰系統(tǒng)。平尾前緣位于水平安定面翼型的最前端，要滿足防冰和除冰要求。飛機防冰系統(tǒng)用于保證飛機在整個飛行過程中，當遇到結冰情況時或者預感到飛機將要進入結冰區(qū)域時能夠除冰，提前使防冰系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，對防護區(qū)域進行結冰防護。

2.5 液壓管路和EWIS電纜布置要求

為滿足主飛控及液壓源功能要求，現(xiàn)民機平尾前緣布置液壓管路和EWIS電纜較多為常見。首先，液壓管路和EWIS電纜布置應沿平尾前梁展向鋪設，沿前梁腹板“一上一下”布置，EWIS電纜布置前梁上緣條區(qū)域，液壓管路布置前梁下緣條區(qū)域，避免因液壓管路滲油發(fā)生對電纜的污染和腐蝕現(xiàn)象。其次，管路和電纜布置時設定間隙，且管路設計有電磁防護。再者，管路和電纜均需要固定支撐，應設計有固定支架。管路和電纜布置時最好避讓開鳥撞常發(fā)生區(qū)域。

2.6 維修互換性要求

平尾前緣布置設計時，考慮鳥撞因素，平尾前緣應盡可能滿足維修互換性、可達性、快捷高效、低成本等要求。平尾前緣多設計為可拆卸結構。即便于結構和系統(tǒng)設備的檢查和維護，如果遭遇鳥撞損壞，前緣也可以局部修復或者整體更換。

2.7 經濟性要求

平尾前緣布置時，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，必須兼顧經濟性要求，提高結構效率，減少相關系統(tǒng)更換和維修費用。

3 平尾前緣布置的影響因素

平尾前緣布置的影響因素包括：滿足抗鳥撞要求的結構件布置；除冰系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)管路和電氣電纜的空間布置和維修性因素等。

3.1 結構件布置

前緣蒙皮為細長薄壁結構，剛度小，前緣中弦向布置多個隔板提供支撐。除了支撐外，前緣遭遇鳥撞時，弦向隔板可以起到吸能作用，避免主結構受到損壞。多數(shù)飛機前緣隔板與平尾翼盒的肋一一對應，可以在與翼盒肋對應的相鄰兩個隔板中間等距再布置一個或者多個隔板。一般平尾前緣隔板軸線垂直于平尾前梁布置，部分隔板軸線在平尾前梁處與肋軸線交匯。

為了滿足前緣抗鳥撞要求，在密肋結構的基礎上，有些飛機在前緣頂部粘貼部分附加蒙皮結構，一種在蒙皮外側，一種在蒙皮內側，附加蒙皮投影寬度一般占前梁寬度的三分之一左右；有些飛機在前緣中布置斜梁結構。添加附加蒙皮結構或者斜梁結構，可以適當減少前緣隔板數(shù)量，但最終布置必須滿足靜強度和動強度設計要求。

結構件布置必須滿足制造工藝和裝配工藝要求。

3.2 除冰系統(tǒng)布置

現(xiàn)有的平尾前緣除冰系統(tǒng)多用電加溫除冰系統(tǒng)和機械式除冰系統(tǒng)，前緣內布置必須為除冰系統(tǒng)留出安裝空間和維護通路。

3.3 液壓系統(tǒng)管路與電氣電纜的空間布置

EWIS電纜與液壓管路由上至下敷設于前緣內部，兩個系統(tǒng)的布置除了需分別滿足各自的規(guī)范外，其空間相對位置也有特殊要求。具體布置方法如下：

1）在前緣每個橫向隔板上開減輕孔，使得液壓管路與EWIS電纜穿過，管路與電纜通過卡箍和支架固定在結構上；

2）液壓管路與EWIS電纜之間間距應滿足兩個系統(tǒng)布置安裝規(guī)范；

3）根據(jù)CCAR25.863相關條款，在平尾前緣內，液壓管路為潛在泄漏源，其不應布置在電纜上方，否則存在液壓泄漏液體腐蝕電纜引起電弧起火的隱患。因此EWIS 電纜需在空間位置上盡量布置于液壓管路上方或錯開。在穿過結構隔板減輕孔時，可考慮電纜在上、液壓在下，或者展向分布兩種不同的布置方法以滿足適航條款要求。

3.4 維修互換性影響

平尾前緣需要充分考慮維修互換性的影響，合理規(guī)劃維護通道，便于維修人員對前緣內系統(tǒng)進行檢查維護。同時考慮鳥撞因素，民用飛機平尾前緣一般設計為可拆卸結構形式，能夠保證維修人員對前緣內部系統(tǒng)設備的檢查和維護，前緣遭遇鳥撞損壞時，也可以整體更換。

4 結論

水平尾翼前緣的布置對飛機設計具有重要意義。前緣內各系統(tǒng)的布置是循序漸進、反復迭代的過程，應盡可能充分考慮影響布置的各項因素，在滿足鳥撞和除冰等要求的基礎上，實現(xiàn)最合理結構重量最輕的結構布置與設計目標。

【參考文獻】

[1]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊，第10冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2]CCAR-25-R4，運輸類飛機適航標準[S].2011.

[3]李娜，吳志斌，孔令勇，等.某型飛機平尾前緣抗鳥撞優(yōu)化設計[J].飛機設計，2014（5）：15-19.

[4]謝燦軍，童明波，劉富，等.民用飛機平尾前緣鳥撞數(shù)值分析及試驗驗證[J].振動與沖擊，2015，34（14）：172-178.

[5]代學桂，鄧光文，李建偉.某型飛機平尾前緣再制造重量分析[J].航空維修與工程，2017（6）：48-52.

[6]李立，白俊強，郭同彪，等.考慮放寬靜穩(wěn)定度的民用客機氣動優(yōu)化設計[J].航空學報，2017，38（9）：203-216.