民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備載荷環(huán)境

【摘 要】機(jī)載設(shè)備除了按照特定功能需求設(shè)計(jì)之外，其設(shè)備結(jié)構(gòu)（包括電子元件）還需滿足強(qiáng)度要求，而強(qiáng)度的輸入之一就是飛機(jī)的載荷環(huán)境。本文全面完整地分析了民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備載荷環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載設(shè)備;載荷環(huán)境

中圖分類號(hào)： V241.02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.045

1 載荷環(huán)境簡(jiǎn)介

本文所說(shuō)的結(jié)構(gòu)不僅包括設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，還包括電子元件在內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)和功能是所有機(jī)載設(shè)備研制的兩個(gè)重要維度，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，保證結(jié)構(gòu)的完整性才能保證功能的可靠性，這就需要設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足飛機(jī)全部的載荷環(huán)境。載荷環(huán)境就是飛機(jī)加速度、變形、振動(dòng)、沖擊等機(jī)械環(huán)境。

2 機(jī)載設(shè)備載荷分類

機(jī)載設(shè)備載荷環(huán)境按照載荷類別分類，包括飛機(jī)加速度載荷、壓力載荷、機(jī)體變形載荷（強(qiáng)迫位移載荷）、熱載荷、氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷、沖擊載荷。

2.1 飛機(jī)加速度載荷

飛機(jī)加速、剎車、偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)、著陸或遭遇突風(fēng)等情況會(huì)產(chǎn)生加速度，一般離飛機(jī)重心越遠(yuǎn)，加速度越大。飛機(jī)加速度值受飛機(jī)重量分布、剛度分布和使用條件定義等因素影響。在加速度載荷中有一種特殊的載荷工況是應(yīng)急著陸載荷，即起落架不能正常放下的故障工況，此時(shí)飛機(jī)可能有所損壞，但與乘員安全有關(guān)的設(shè)備必須滿足CCAR25.561條款的要求，為乘員提供安全保護(hù)，避免乘員在輕度撞損應(yīng)急著陸過(guò)程中受到嚴(yán)重傷害。應(yīng)急著陸的載荷為：向上3.0g，向下6.0g，側(cè)向3.0g（座椅及其連接件4g），向前9.0g，向后1.5g。

2.2 壓力載荷

飛機(jī)增壓系統(tǒng)元件必須進(jìn)行最大正常工作壓力2倍的破壞壓力試驗(yàn)和1.5倍的驗(yàn)證壓力試驗(yàn)。氣動(dòng)系統(tǒng)元件必須分別進(jìn)行最大正常工作壓力3倍的破壞壓力試驗(yàn)和1.5倍的驗(yàn)證壓力試驗(yàn)。保載時(shí)間和試驗(yàn)判據(jù)見(jiàn)表1。

2.3 氣動(dòng)載荷

在高速流場(chǎng)中的機(jī)載設(shè)備，在計(jì)算載荷時(shí)，氣動(dòng)載荷往往是最嚴(yán)酷的載荷之一，例如沖壓空氣風(fēng)門、天線等。設(shè)備的氣動(dòng)載荷可運(yùn)用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）方法，根據(jù)設(shè)備幾何特征和所在位置流場(chǎng)的速度、密度等來(lái)計(jì)算。

2.4 熱載荷

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮內(nèi)外熱載荷的影響，熱載荷的具體影響表現(xiàn)為：

a）溫度影響材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，影響強(qiáng)度安全裕度。

b）溫度影響材料彈性模量，影響振動(dòng)響應(yīng)。

c）溫度產(chǎn)生熱脹冷縮，導(dǎo)致設(shè)備或管路變形，影響內(nèi)應(yīng)力和對(duì)外界面載荷。

d）溫度梯度產(chǎn)生應(yīng)力。

e）溫度變化產(chǎn)生疲勞載荷。

飛機(jī)熱載荷來(lái)源于太陽(yáng)輻射、發(fā)動(dòng)機(jī)、APU（輔助動(dòng)力裝置）、防冰管路、液壓電動(dòng)泵、空氣管理系統(tǒng)高溫管路、油濾等。

2.5 機(jī)體變形載荷（強(qiáng)迫位移載荷）

飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼在慣性力、氣動(dòng)力等作用下發(fā)生變形，對(duì)管路產(chǎn)生強(qiáng)迫位移，該強(qiáng)迫位移會(huì)使管路發(fā)生大變形，這是管路在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中最嚴(yán)酷的工況之一。民用飛機(jī)的燃油、液壓、氣源等管路系統(tǒng)在全機(jī)的布置范圍廣、跨度大，飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等主結(jié)構(gòu)發(fā)生變形會(huì)對(duì)管路產(chǎn)生顯著的強(qiáng)迫位移，對(duì)管路產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。對(duì)于剛度較大的硬管，機(jī)體變形載荷往往是最嚴(yán)酷的。

2.6 振動(dòng)載荷

振動(dòng)載荷包括功能振動(dòng)、耐久振動(dòng)、高量值短時(shí)振動(dòng)和風(fēng)車振動(dòng)載荷，前三者見(jiàn)RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)大綱》。風(fēng)車振動(dòng)載荷針對(duì)持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡這一特定風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷離之后，葉片在風(fēng)力作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因重量分布不平衡而產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間低頻振動(dòng)。風(fēng)車振動(dòng)載荷適用于如果功能喪失會(huì)影響飛機(jī)返場(chǎng)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。風(fēng)車載荷量值由發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡狀態(tài)下的振動(dòng)譜得到。

2.7 沖擊載荷

沖擊載荷包括功能沖擊載荷、安全墜撞沖擊載荷、鳥撞沖擊載荷。對(duì)于一些在應(yīng)急著陸情況下，設(shè)備的破損和脫落可能會(huì)對(duì)人員構(gòu)成危險(xiǎn)，或?qū)?yīng)急撤離設(shè)施造成破壞的設(shè)備，除進(jìn)行功能沖擊試驗(yàn)外，還應(yīng)進(jìn)行墜撞安全試驗(yàn)。鳥撞沖擊載荷適用于鳥撞影響區(qū)域且如果功能喪失會(huì)影響飛機(jī)返場(chǎng)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。

2.8 FBO（Fan Blade Out發(fā)動(dòng)機(jī)葉片飛出）載荷

FBO載荷是指發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片因鳥撞、冰雹或者是疲勞等原因發(fā)生斷裂而脫落所引起的瞬態(tài)沖擊載荷。該載荷通過(guò)動(dòng)響應(yīng)分析得到。在FBO故障狀態(tài)下，影響飛機(jī)返場(chǎng)的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備需能承受傳遞至其安裝位置處的FBO載荷，不發(fā)生破壞。

2.9 其他載荷

對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)設(shè)備，還有各自特有的載荷，包括人員操作載荷、操縱系統(tǒng)作動(dòng)器載荷、濫用載荷、設(shè)備之間固定連接的界面載荷、部件間的摩擦載荷、故障狀態(tài)產(chǎn)生的卡阻載荷等。

3 強(qiáng)度判據(jù)

3.1 靜強(qiáng)度分析判據(jù)

在限制載荷下無(wú)有害永久變形，即在限制載荷情況下，結(jié)構(gòu)分析部位屈服強(qiáng)度安全裕度大于0。在極限載荷下無(wú)破壞，即在極限載荷情況，結(jié)構(gòu)分析部位的極限強(qiáng)度安全裕度大于0。

3.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)判據(jù)

對(duì)于需要考慮振動(dòng)、沖擊（除墜撞沖擊之外）載荷的設(shè)備，要求設(shè)備在振動(dòng)、沖擊載荷環(huán)境下功能正常，連接件不松脫，連接面不破壞。

3.3 應(yīng)急著陸載荷試驗(yàn)的判據(jù)

對(duì)于需符合CCAR25.561條款的設(shè)備，在應(yīng)急著陸載荷下（包括墜撞持續(xù)載荷和墜撞沖擊載荷），連接件不松脫，連接面不破壞。對(duì)于應(yīng)急著陸撤離設(shè)施（例如客艙應(yīng)急著陸照明燈），在應(yīng)急著陸載荷下須功能正常。

4 安全系數(shù)

當(dāng)以限制載荷作為結(jié)構(gòu)的外載荷時(shí)，必須采用安全系數(shù)l.5;當(dāng)用極限載荷來(lái)規(guī)定受載情況時(shí)，不必采用安全系數(shù)。另外，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中還需考慮接頭系數(shù)、鑄件系數(shù)等特殊系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)載設(shè)備驗(yàn)證某一項(xiàng)載荷要求的符合性較容易，而確保完整性較難。本文完整地歸納了民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備所有的載荷環(huán)境。在機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)中，應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備的重要等級(jí)分別選擇合適的符合性驗(yàn)證方法。

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