全動(dòng)舵面結(jié)構(gòu)形式淺析

夏彥朋，方志曉，張 華，冷旻衠

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

為改善飛行器大迎角、超音速飛行時(shí)的機(jī)動(dòng)控制能力，全動(dòng)舵面成為先進(jìn)飛行器的主要控制舵面，用以提高舵面操縱氣動(dòng)效率，如鴨翼、全動(dòng)平尾、全動(dòng)垂尾等。在三代機(jī)中，F(xiàn)-16、Su-27系列飛機(jī)采用全動(dòng)平尾，歐洲EF-2000“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)、殲10等型號(hào)采用鴨翼，四代機(jī)中，F(xiàn)-22及Su-57等型號(hào)采用全動(dòng)垂尾及全動(dòng)平尾。本文整理出了國(guó)內(nèi)外主流戰(zhàn)機(jī)的全動(dòng)舵面結(jié)構(gòu)，并分別對(duì)其傳力路徑進(jìn)行分析，為全動(dòng)舵面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 主流戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)舵面結(jié)構(gòu)分析

1.1 F-16飛機(jī)全動(dòng)平尾

該戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)平尾有兩種結(jié)構(gòu)，一種為單梁全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)；一種為波紋板梁式結(jié)構(gòu)。

圖1是F-16飛機(jī)全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)示意圖。它由碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料蒙皮、鈦合金轉(zhuǎn)軸梁、根肋、全高度蜂窩芯、玻璃鋼前后緣及不銹鋼包邊等組成。轉(zhuǎn)軸梁采用鈦合金整體鍛件機(jī)械加工而成，轉(zhuǎn)軸梁在根肋內(nèi)側(cè)為一錐形管，自根肋開始變成“工”字梁。根肋分前后兩段，均由鈦合金制成，在膠接前焊接到轉(zhuǎn)軸梁上。全高度蜂窩芯材采用鋁制。上述零件膠接成全動(dòng)平尾。

圖1 全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，梁緣條傳遞較少；剪力由夾芯、肋腹板、梁腹板傳遞；扭矩由蒙皮及前尾緣組成的閉室傳遞。所有載荷經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上。

圖2是F-16全動(dòng)平尾波紋板梁式結(jié)構(gòu)方案示意圖。它由碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料蒙皮、鋁合金轉(zhuǎn)軸梁、根肋、波紋板梁/普通墻、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣所組成。該結(jié)構(gòu)方案是一種低成本設(shè)計(jì)方案，用鋁合金代替了鈦合金，用鋁波紋板代替了蜂窩芯，用鉚接代替膠接，這些措施都能大大降低成本并穩(wěn)定產(chǎn)品制造質(zhì)量，F(xiàn)-16后期生產(chǎn)的飛機(jī)，特別是出口型飛機(jī)大都采用這種結(jié)構(gòu)。

圖2 波紋板多墻式結(jié)構(gòu)方案示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩由厚蒙皮傳遞，剪力由肋腹板及梁墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。

1.2 某型機(jī)鴨翼

圖3是某型機(jī)鴨翼單梁全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)示意圖。它由上下蒙皮、盒式梁、轉(zhuǎn)軸梁、全高度蜂窩、前緣、根肋、后緣、翼尖等部分構(gòu)成。

圖3 某型機(jī)鴨翼結(jié)構(gòu)方案示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，梁緣條傳遞較少；剪力由夾芯、肋腹板、梁腹板傳遞；扭矩由蒙皮、盒式梁及前尾緣組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。

1.3 歐洲EF-2000“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)鴨翼

圖4是歐洲EF-2000“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)鴨翼多墻式結(jié)構(gòu)示意圖。它由上下蒙皮、墻、轉(zhuǎn)軸、根肋、前緣等部分構(gòu)成。

圖4 歐洲EF-2000結(jié)構(gòu)方案示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。根部為提高扭轉(zhuǎn)剛度，采用加強(qiáng)端肋。

1.4 Su-30MK飛機(jī)全動(dòng)平尾

圖5是Su-30MK飛機(jī)全動(dòng)平尾結(jié)構(gòu)示意圖。它由上下加筋壁板、雙梁、根部加強(qiáng)肋及普通肋等部分機(jī)械連接而成。

圖5 Su-30MK飛機(jī)局部圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由加筋壁板傳遞，小部分由梁緣條傳遞；剪力由肋腹板及梁腹板傳遞；扭矩由根部雙梁、加強(qiáng)肋及壁板組成的扭力盒，以及梁與蒙皮組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。

1.5 F-14“熊貓”戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)平尾

圖6、圖7為F-14“熊貓”戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)平尾的結(jié)構(gòu)示意圖，主體上，其為多墻式結(jié)構(gòu)。它由蒙皮、根部盒型件、加強(qiáng)肋、外段多墻式結(jié)構(gòu)及前尾緣全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)組成。

圖6 “熊貓”戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)平尾裝配示意圖

圖7 “熊貓”戰(zhàn)機(jī)全動(dòng)平尾結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由根部加強(qiáng)扭力盒以及蒙皮、墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。

1.6 F-35全動(dòng)平尾

圖8為F-35全機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其采用全動(dòng)平尾，平尾結(jié)構(gòu)形式為厚蒙皮多墻式結(jié)構(gòu)。

圖8 F-35飛機(jī)全機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮、根部加強(qiáng)肋及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經(jīng)單軸傳遞到機(jī)身上，扭矩由搖臂提供的支反力來(lái)平衡，搖臂上的載荷經(jīng)舵機(jī)傳遞至機(jī)身上。

1.7 F-22全動(dòng)平尾

圖9為F-22飛機(jī)局部結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所示平尾由根部骨架式結(jié)構(gòu)及外段單梁全高度蜂窩結(jié)構(gòu)組成。根部載荷較大且翼型高度相對(duì)較大，采用骨架式結(jié)構(gòu)，以增加平尾的扭轉(zhuǎn)剛度，將平尾上的彎矩、扭矩及剪力傳到轉(zhuǎn)軸上。平尾上的載荷經(jīng)搖臂與轉(zhuǎn)軸傳至機(jī)身上。

圖9 F-22飛機(jī)局部結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)論

當(dāng)前主流戰(zhàn)機(jī)采用的全動(dòng)舵面結(jié)構(gòu)形式有4種：

1）全金屬梁肋式結(jié)構(gòu)，如Su-30MK；

2）單梁全高度蜂窩/波紋板結(jié)構(gòu)，如F-16和某型機(jī)鴨翼；

3）多墻式結(jié)構(gòu)，如EF-2000；

4）根部加強(qiáng)盒段設(shè)計(jì)，外段有全高度蜂窩結(jié)構(gòu)，如F-22，也有外段多墻式結(jié)構(gòu)，如F-14和F-35。

通過(guò)分析可以知道，全動(dòng)舵面在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為盡可能降低結(jié)構(gòu)重量，追求高的結(jié)構(gòu)效率，多數(shù)飛機(jī)采用了厚壁板+梁/墻式結(jié)構(gòu)或厚蒙皮+全高度蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，在翼型厚度允許范圍內(nèi)對(duì)舵面的根部結(jié)構(gòu)適當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)。一般而言，相對(duì)翼型厚度越小（約6%以下），采用全高度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率相對(duì)較高。另一方面，翼型厚度增大時(shí)采用厚壁板+梁/墻式結(jié)構(gòu)，其制造穩(wěn)定性相對(duì)較高。

總之，在進(jìn)行全動(dòng)舵面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)重量、顫振特性、全壽命周期的成本、制造穩(wěn)定性及制造效率等因素選擇全動(dòng)舵面的結(jié)構(gòu)形式。