復合材料主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設計要求及方法

陸鵬鵬 王新年 衛(wèi)二冬 /

(中航西飛民用飛機有限責任公司工程技術(shù)中心，西安 710089)

0 引言

民用飛機主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)通常布置在機身中段下部[1]，如圖1所示，其作用為包容主起落架艙、主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)，在機身與主起落架艙、機身與主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)之間進行整流。結(jié)構(gòu)組成一般分為整流罩、主起艙門，有的還布置有RAT(ram air turbine，沖壓空氣渦輪)艙門。隨主起落架聯(lián)動收/放的部分為主起艙門，隨RAT聯(lián)動收/放的部分為RAT艙門，其余部分均為整流罩[2]。

圖1 主起落架整流罩位置示意圖

國外ATR72飛機以及國內(nèi)在研的MA700飛機主起落架整流罩結(jié)構(gòu)形式類似，均由蒙皮、隔框加桁條組成，主起落架整流罩結(jié)構(gòu)蒙皮一般采用復合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，隔框、桁條采用金屬結(jié)構(gòu)，隔框分為加強隔框和普通隔框，艙門采用金屬面板夾層結(jié)構(gòu)。

本文在充分考慮實現(xiàn)主起落架整流罩結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，提出了民用飛機主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設計的要求，介紹了通常采用的技術(shù)方案，包括結(jié)構(gòu)形式、選用材料、連接方式、雷電防護、結(jié)構(gòu)保護及維修方法等。

1 設計要求

1.1 總體要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)一般尺寸較大，兩側(cè)外形曲率大，雖然不是主要承力結(jié)構(gòu)，但是功能性要求較多，在設計中應充分滿足以下總體設計要求[3]：

1)保證飛機具有良好的氣動外形；

2)滿足主起落架支撐結(jié)構(gòu)與整流罩的間隙要求及輪胎與整流罩的間隙要求；

3)滿足主起落架整流罩內(nèi)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的布置要求；

4)不參與飛機的總體傳力；

5)滿足結(jié)構(gòu)功能、強度、剛度、穩(wěn)定性、重量等要求；

6)防止雨水或腐蝕性液體進入整流罩內(nèi)部，滿足雷電防護要求，滿足裝配、維修和維護要求。

1.2 適航要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設計應滿足CCAR25部以下條款要求[4]：

§25.305(a)(b)強度和變形；

§25.307(a)(d)結(jié)構(gòu)符合性的證明；

§25.571(a)(b)(c) 結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定；

§25.581 閃電防護；

§25.601 設計與結(jié)構(gòu)：總則；

§25.603 材料；

§25.607 緊固件；

§25.609 結(jié)構(gòu)保護；

§25.611 可達性措施；

§25.613材料的強度性能和設計值；

§25.619特殊系數(shù)；

§25.625接頭系數(shù)；

§25.729a(2)(3) 收放機構(gòu)的條款要求。

1.3 功能要求

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)的主要功能要求是在機身與主起落架艙、機身與主起落架支撐結(jié)構(gòu)之間進行整流，以滿足機身的氣動外形要求，同時還起著包容主起落架艙、主起落架及其支撐結(jié)構(gòu)，以防止雨水、冰雹和跑道碎石進入后對罩內(nèi)設備和系統(tǒng)造成腐蝕、堵塞或損壞。為了滿足以上功能要求，需要考慮以下因素：

1)主起落架艙門的安裝和開啟軌跡與主起落架的安裝及收放軌跡相協(xié)調(diào)；考慮艙門卡滯對主起落架收放的影響；艙門應有足夠的剛度，在使用中不會產(chǎn)生較大變形而影響到主起落架的收放[5]。

2)整流罩要有足夠的剛度，防止過大變形而影響到機身的氣動外形。

3)整流罩應有較好的沖擊韌性，能夠承受跑道碎石、冰雹等低能量重復沖擊對整流罩的沖擊損傷；考慮輪胎爆炸引起的碎片及爆破氣流對主起落架整流罩結(jié)構(gòu)的沖擊損傷。

4)考慮整流罩及其與機身連接的密封。

5)整流罩應有規(guī)定的雷電防護要求。

6)防止燃油系統(tǒng)、管口等滲漏油與機輪摩擦火星相遇引起火焰，考慮結(jié)構(gòu)的阻燃要求。

7)降噪要求。

1.4 耐久性要求

現(xiàn)在民機主起落架整流罩結(jié)構(gòu)蒙皮大多采用碳纖維或者玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu)，復合材料結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗疲勞和抗腐蝕特性，疲勞和腐蝕不是復合材料結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題，主要是復合材料的層間性能比較低，抗沖擊性能較差，特別是薄蒙皮和薄面板夾層結(jié)構(gòu)在常見的低能量沖擊下，容易產(chǎn)生表面目視可見的損傷，會給使用帶來大量維護和修理問題，降低飛機出勤率和增加維護費用。對薄面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)而言，表面目視可見的沖擊損傷會使水分滲入內(nèi)部的蜂窩，引起面板與蜂窩的大面積撕開，不僅有維護問題，還會威脅結(jié)構(gòu)的安全。在分析主起落架整流罩低能量沖擊的損傷阻抗要求時，主要考慮冰雹和跑道碎石沖擊和輪胎拋出的碎片沖擊兩個方面[6]。

1.4.1 冰雹和跑道碎石沖擊

冰雹沖擊損傷阻抗設計要求：2倍設計壽命期內(nèi)無功能性障礙，或不需要結(jié)構(gòu)修理；無目視可見損傷；無水分浸入，如水滴，否則會產(chǎn)生要求進行維護的不可接受的結(jié)構(gòu)退化；無明顯損傷擴展。

跑道碎石沖擊損傷阻抗設計要求：2倍設計壽命期內(nèi)無功能性障礙，如果損傷目視可見，外場修理后不滲水；無明顯損傷擴展。

1.4.2輪胎拋出的碎片沖擊

脫落的輪胎在正常情況下約有5 kg的碎塊，碰撞速度可能接近起飛或著陸速度，起落架輪胎碎片沖擊區(qū)的結(jié)構(gòu)應該按照表1進行設計：

1)所有由輪胎拋出碎片造成損傷的部位可以迅速更換或代替，不耗費太長的飛機維護時間，所有位于沖擊區(qū)的夾層結(jié)構(gòu)采用芳綸紙或鋁蜂窩芯制成。

2)不要將天線或設備裝在易受輪胎碎片沖擊損傷的部位。

表1 起落架輪胎碎片沖擊區(qū)的結(jié)構(gòu)設計要求

1.5 載荷情況

主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)主要承受氣動載荷，不參與飛機的總體傳力；氣動載荷通過整流罩蒙皮傳遞給整流罩骨架，進一步通過骨架與機身框的連接，傳遞給機身，進行擴散。

2 技術(shù)方案

2.1 結(jié)構(gòu)布置

民用飛機主起落架整流罩結(jié)構(gòu)布置通常整體關(guān)于飛機對稱平面對稱。按照機身框位對應布置加強隔框，及普通隔框，在飛機對稱平面兩側(cè)等距布置桁條。按照隔框和桁條的位置，對蒙皮進行分塊。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

主起落架艙區(qū)域?qū)俚湍芰繘_擊區(qū)，起落架機輪拋出的碎片、跑道石子等易造成蒙皮的沖擊損傷，主起落架艙整流罩蒙皮面板選用玻璃纖維預浸料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這樣可以提高結(jié)構(gòu)沖擊韌性，阻礙裂紋擴展，提高斷裂應變。另外，因為主起落架整流罩骨架和機身蒙皮為金屬材料，為了防止整流罩蒙皮與金屬結(jié)構(gòu)接觸時出現(xiàn)電化腐蝕，在二者的接觸部位鋪貼玻璃布；為了防止拆卸引起孔區(qū)面板鋪層的損傷或開膠，所有螺栓孔處均嵌入鋼制的沉頭墊圈。在蒙皮的連接區(qū)，孔周有較大的應力集中，為了降低層壓板承載能力，提高連接接頭的強度和柔性，在連接區(qū)增加鋪層層數(shù)，使連接區(qū)局部加厚，同時，要求±45°鋪層比例不低于40%，90°鋪層比例不低于10%，0°鋪層比例不低于25%。

整流罩骨架一般采用金屬材料，由加強隔框、普通隔框、縱向桁條等構(gòu)件組成，如圖3所示。在機身框位處布置加強隔框，加強隔框為板彎件，考慮工藝性、經(jīng)濟性等要求，在加強隔框的腹板上還設計有提高其剛度的“L”型支柱，框腹板上設計有帶彎邊的減輕孔；在機身框位處布置普通隔框，普通隔框之間布置縱向桁條，桁條與隔框之間通過“L”型角材連接在一起；桁條沿隔框分段，與隔框一起支撐整流罩蒙皮。

2.3 連接設計

2.3.1 整流罩蒙皮與機身連接以及蒙皮之間的對接

整流罩蒙皮的周邊通過“г”形角材與機身蒙皮連接，即角材一邊與機身蒙皮鉚接，另一邊與整流罩蒙皮螺栓連接，連接示意圖見圖4，以便于檢查、維護內(nèi)部系統(tǒng)零件，滿足可更換性要求。另外，整流罩蒙皮對接縫隙以及整流罩蒙皮與機身蒙皮連接縫隙部位，還設計有彈性橡膠密封墊，既可以水密，又有緩沖降噪的功效，連接形式如圖4中C-C剖面圖所示。

圖4 整流罩結(jié)構(gòu)連接示意圖

各塊蒙皮之間采用對接，對接形式如圖4中A-A、B-B剖面圖所示，弦向的對接通過加強隔框和“L”形的角材連接在一起，航向的對接通過“]”形截面的板彎件桁條進行連接，所有蒙皮均可拆卸，蒙皮通過螺栓與整流罩骨架連接。

2.3.2 骨架隔框與機身的連接

主起落架艙整流罩加強框及普通框與機身蒙皮之間可以通過“L”型角材連接在一起，連接形式如圖5所示。

圖5 整流罩骨架框與機身連接示意圖

2.4 雷電防護設計

主起落架整流罩結(jié)構(gòu)通常處于飛機雷電防護的2A區(qū)，故整流罩結(jié)構(gòu)設計時必須采取相應的措施，一般采用在整流罩蒙皮外表面覆有保護膜并嵌入銅絲網(wǎng)，該項關(guān)鍵技術(shù)直接影響著飛機的防雷電效果，對飛機的安全性有一定的影響?？梢酝ㄟ^在生產(chǎn)中先進行工藝試驗，取得最佳的工藝方案，并在后續(xù)生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行，以及進行試驗驗證防雷電效果。

2.5 結(jié)構(gòu)保護設計

為保證主起落架整流罩內(nèi)部的系統(tǒng)零件不受潮濕環(huán)境的影響，所有蒙皮對縫間隙處均涂敷密封膠。蒙皮與機體的貼合面之間設計有彈性橡膠密封墊以保證密封及防止擦傷和磨損。所有托板螺母均選用氣密托板螺母。

2.6 維修性設計

在主起落架整流罩內(nèi)布置有機翼與機身連接的關(guān)鍵接頭以及系統(tǒng)的管路等，需要定期的檢查與維護。因此整流罩必須便于拆卸安裝，以滿足維護性要求。設計時注重考慮以下因素：1)對整流罩的蒙皮合理分塊，確保維修部位具有良好的可達性；2)在整流罩上須布置適當?shù)目谏w，以便于維護操作；3)采用合理的連接結(jié)構(gòu)形式，以便于拆卸安裝；4)采用的緊固件應標準化，工具應通用化，以降低維修成本。

3 抗沖擊設計方法

考慮主起落架整流罩的抗沖擊要求，一般主起落架整流罩蒙皮結(jié)構(gòu)，較好的是采用玻璃纖維預浸料假蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，但是考慮重量的影響，多采用碳纖維預浸料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，且一定在最外表面鋪貼一層玻璃布，以改善其沖擊韌性，滿足抗沖擊要求。同時，考慮底部常受機場地面沙石沖擊，復合材料夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能相對較差，容易受損傷，故也有的是在主起落架整流罩底部結(jié)構(gòu)采用金屬加筋壁板，而在中上部采用復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

4 防潮濕設計方法

考慮主起落架整流罩結(jié)構(gòu)容易有水分進入，通過對零件采用表面處理、涂相應的底漆和面漆，所有緊固件進行濕裝配等方法進行潮濕的防護，對于復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在內(nèi)表面要鋪一層Tedler膜進行防潮處理。同時在設計過程中考慮防排水設計，譬如在結(jié)構(gòu)對縫處用密封膠進行密封，對于復合材料件的切割邊緣也要用密封劑進行密封處理，還有一些口蓋結(jié)構(gòu)，要在口蓋貼合面粘貼密封墊進行貼合面密封以防水，在各封閉區(qū)最低點附近，在壁板上開設排水孔，保證水分能暢通排出。

5 結(jié)論

民用飛機主起落架艙整流罩結(jié)構(gòu)設計首先應滿足相關(guān)頂層要求，考慮其功能、承載、耐久性、損傷容限設計要求的同時兼顧維修性、工藝性，同時保證設計方法具有一定的先進性，且技術(shù)方案成熟可行，結(jié)構(gòu)布置合理，連接方式可靠，設計方法主要考慮其抗沖擊以及防潮濕設計等，從而使得主起落架整流罩結(jié)構(gòu)設計滿足其使用要求。