民用飛機艙門壓力鎖定機構設計研究

馬 巖

(中航沈飛民用飛機有限責任公司, 沈陽 110179)

0 引言

FAR25.783(b)條規(guī)定：“必須有措施防止每一艙門在飛行中被人無意中打開。而且，必須設計預防措施，將人在飛行中有意打開艙門的概率降至最小?！盇C25.783[1]中對此條要求進行了補充說明，規(guī)定：“必須有措施降低艙門在飛行中被人為意外打開的可能性。當艙段壓差在2 psi以上時，一般不可能正常打開門。能否打開門取決于門操作機構和手柄的設計、位置和操縱力。所需的開門操縱力超過300 lb，就應該被認為足夠防止門被打開?！?/p>

為滿足上述要求，民用飛機艙門必須設計成可以實現(xiàn)全飛行行程內的完全鎖定。飛行鎖是常用的艙門鎖定機構。作為電子設備，飛行鎖在通電狀態(tài)下才能保證鎖定功能，但飛行中長時間通電會導致飛行鎖結構持續(xù)發(fā)熱，對飛機環(huán)境和安全造成一定影響。為解決上述問題，可以將飛行鎖設計為僅在飛機爬升和降落階段起作用，當飛機內外壓差超過一定值時，飛行鎖處于斷電狀態(tài)，不再具備鎖定功能。在飛行鎖不起作用的飛行階段，為避免艙門的意外打開，可以設計機械裝置鎖定艙門的位置，鎖定的判斷依據是開門力大于300 lb。

為滿足艙門的操縱性要求，保證5%的女性和95%的男性能夠順利操作艙門打開，一般建議正常開啟艙門時手柄力不超過45 lb，先進機型甚至要求開啟手柄力不超過35 lb。

綜合上述要求，在正常開啟狀態(tài)下和2 psi以上壓差狀態(tài)下，艙門開啟的手柄力要求存在一定矛盾。如何實現(xiàn)在不安全壓力下鎖定艙門完全關閉位置，且不影響艙門的正常開啟手柄力，是艙門設計的一項難題。

1 艙門壓力鎖定機構設計要求

為解決上述問題，可以設計艙門壓力鎖定機構[2]，該機構需滿足以下功能：

1)在艙門正常開啟狀態(tài)下，該機構不起作用，不會阻礙艙門的正常打開，不影響正常開門手柄力。

2)在2 psi及以上機艙壓差狀態(tài)下，該機構可以鎖定艙門的手柄位置，確保300 lb操作力下無法扳動手柄。

基于上述功能要求，設計壓力鎖定機構包含正常打開和壓力鎖定兩種工作模式，該機構以機艙內外壓差載荷為變量，通過彈簧的配合，完成兩種運動模式切換，從而實現(xiàn)在正常狀態(tài)下不影響艙門的打開以及在2 psi以上壓差狀態(tài)下鎖定艙門[3]的功能。

2 壓力鎖定機構解決方案

2.1 集成于增壓預防門[4-5]的壓力鎖定機構

對于危險型艙門，設計有閂機構、鎖機構、增壓預防機構等多套安全機構。為保證艙門機構的安全功能及機構間的監(jiān)控邏輯關系，開啟艙門過程中機構有一定的運動時序要求，一般開門順序為：“開增壓預防門—解鎖—解閂—打開”。增壓預防門處于第一順位，一旦開啟，艙內立即泄壓，即使是半堵塞式[6]艙門也可能完成向內提升運動并在空中打開，產生災難性后果。因此艙門的壓力鎖定機構應保證可以鎖定增壓預防門的位置。

在波音777飛機登機門、A220飛機登機門等成熟機型艙門上，均采用了集成于增壓預防門的壓力鎖定機構。此類機構的設計思路基本一致，都是利用兩套凸輪機構[7-9]，分別實現(xiàn)艙門正常開啟的運動時序控制功能和增壓狀態(tài)下的壓力鎖定功能。

此類機構的設計難點是如何將兩套不同功能的凸輪機構更好地集成在一起，使機構在滿足功能的前提下，更為簡潔，從而節(jié)省布置空間，降低艙門重量，提高機構基本可靠性。

圖1為某項目創(chuàng)新設計的集成于增壓預防門的壓力鎖定機構。如圖1所示，增壓預防門分別與艙門結構和連桿鉸接連接，連桿的另一端與叉型件鉸接連接，叉型件與艙門結構鉸接連接，艙門結構、增壓預防門、叉型件及連桿共同構成了一套四桿機構。在叉型件上固定連接有上滾輪，上滾輪與凸輪上半段配合，凸輪與艙門結構鉸接連接。叉型件與凸輪構成一套“凸輪-擺桿”機構。增壓預防門的傳動軸上布置有扭簧，扭簧力使增壓預防門有向艙內翻轉打開的趨勢。在叉型件的下方設計有下滾輪，下滾輪在壓力鎖定的工況下與凸輪的下半段配合。

圖1 集成于增壓預防門的壓力鎖定機構

(a)完全關閉狀態(tài) (b)正常打開狀態(tài) (c)壓力鎖定狀態(tài)圖2 壓力鎖定機構運動過程圖

圖2從左至右依次為該機構的完全關閉狀態(tài)、正常打開狀態(tài)以及壓力鎖定狀態(tài)示意圖。如圖2所示，正常開啟時，手柄驅動凸輪轉動，扭簧帶動增壓預防門旋轉打開，并通過上述四桿機構和“凸輪-擺桿”機構，將上滾輪壓緊凸輪的上半段表面。通過上滾輪與凸輪的配合，可以實現(xiàn)增壓預防門在艙門開啟過程中的運動時序控制。

在2 psi及以上壓差狀態(tài)下開啟艙門時，艙門手柄軸帶動凸輪旋轉,壓差載荷將增壓預防門壓緊在完全關閉位置，扭簧無法帶動增壓預防門開啟。手柄帶動凸輪進一步轉動后，凸輪的下半段鎖鉤與下滾輪接觸。設計時，可以調整凸輪下半段的軌跡線及下滾輪的位置，以控制凸輪與下滾輪在接觸位置的壓力角，使凸輪驅動叉型件的運動壓力角等于或接近90°，實現(xiàn)機構自鎖。凸輪被鎖死后，手柄無法進一步驅動增壓預防門開啟，從而實現(xiàn)了壓力鎖定的功能。

本方案利用一個凸輪的不同外形面，分別與兩個滾輪配合，實現(xiàn)了機構運動時序控制和壓力鎖定兩種功能，機構形式簡單，集成程度較高。

2.2 手柄壓力鎖定機構

對于非危險艙門，按適航條例FAR25.783(c)(2)要求：“如果從該艙門任一可能的位置上都可以保持打開到防止增壓的程度，或當增壓發(fā)生時可以安全關閉與閂住，則無須具有專用的增壓預防措施。”因此非危險門通常不配備有增壓預防機構。對于某些采用超高邏輯控制環(huán)控系統(tǒng)的艙門，如空客系列的部分艙門，也未采用增壓預防門作為增壓預防措施。上述類型艙門的壓力鎖定機構無法采用集成于增壓預防門的設計方案。針對此類艙門，可以采用直接鎖定艙門的手柄位置的方案。手柄壓力鎖定機構的設計原理是以壓力蓋板為載體，利用不同的壓差狀態(tài)，進行艙門正常打開和不安全壓力打開的機構模式選擇，從而實現(xiàn)在不同壓差載荷狀態(tài)下，對手柄的鎖定和解鎖。

某機型手柄壓力鎖定機構形式及其工作狀態(tài)如圖3～圖5所示，該機構由手柄、曲柄、壓力蓋板、扭簧及鉤型鎖等零件組成。

艙門手柄上固定連接有曲柄和滾輪，壓力蓋板與艙門結構鉸接連接，其在扭簧的驅動下，有翻轉打開的趨勢。在艙門完全關閉位置，滾輪通過與壓力蓋板固定連接的支座配合，將壓力蓋板鎖定在完全關閉位置。正常壓差狀態(tài)下開門時，扳動手柄，手柄帶動滾輪轉動并脫離支座，之后扭簧可以帶動壓力蓋板轉動開啟，壓力蓋板上固定連接的鉤型鎖遠離曲柄上固定連接的銷子，手柄可以繼續(xù)轉動至完全打開位置。

圖3 手柄壓力鎖定機構

圖4 正常開啟狀態(tài)下的手柄壓力鎖定機構

圖5 壓力鎖定狀態(tài)下的手柄壓力鎖定機構

當機艙壓差載荷大于2 psi時扳動手柄，滾輪在手柄的帶動下脫離支座后，壓力蓋板被壓差載荷壓緊在關閉位置，扭簧無法驅動壓力蓋板轉動。手柄進一步轉動后，曲柄上固定連接的銷子將與壓力蓋板上的鉤型鎖接觸，鉤型鎖鎖定手柄曲柄的位置，阻止手柄進一步轉動。設計時可以調整鉤型鎖與銷子的接觸平面方向，使銷子驅動壓力蓋板的運動壓力角等于或接近90°，實現(xiàn)機構自鎖。

為避免因為機構結冰等意外情況導致扭簧無法在正常開啟工況下帶動壓力蓋板轉動,引起機構卡滯[10]，在鉤型鎖上設計有凸起結構。扳動手柄，如果扭簧無法正常帶動壓力蓋板轉動，曲柄上固定連接的銷子會與凸起結構接觸，此處機構傳動角度較大，手柄可以驅動壓力蓋板轉動一定角度，以消除壓力蓋板處可能的運動卡滯，保證機構正常運行。

本方案采用壓力蓋板作為機艙壓差載荷的載體，利用壓差載荷與彈簧力的關系，進行不同工作模式的選擇，實現(xiàn)了不安全開啟狀態(tài)下艙門手柄的鎖定，解決了未設計有增壓預防門的艙門壓力鎖定問題，并設有防卡滯措施，降低了艙門無法正常打開的概率。

3 結論

對于民用飛機增壓艙門，壓力鎖定機構是保證艙門手柄力滿足適航要求的重要機構。本文提出的壓力鎖定機構設計原理是利用壓差載荷和彈簧共同驅動機構，實現(xiàn)艙門正常打開和不安全壓力下打開兩種工況的工作機構切換。

本文提供的的兩種新型增壓艙門壓力鎖定機構形式簡單，不同工作狀態(tài)轉化連貫，設計方案已經經過項目驗證，合理可行，可以推廣應用至其他艙門壓力鎖定機構設計中，具有一定的推廣借鑒價值。