民用飛機(jī)復(fù)合材料平尾前緣抗鳥(niǎo)撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陸凱華

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司復(fù)合材料中心，上海 201324)

0 引言

民用飛機(jī)在飛行過(guò)程中與鳥(niǎo)類相撞造成的事故被稱為“鳥(niǎo)撞”[1]。民用飛機(jī)的鳥(niǎo)撞問(wèn)題嚴(yán)重威脅飛行安全，根據(jù)CCAR25 631適航規(guī)章對(duì)尾翼結(jié)構(gòu)的抗鳥(niǎo)撞條款要求：“尾翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證飛機(jī)在與 3.6 kg(8 磅)重的鳥(niǎo)相撞之后，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸，相撞時(shí)飛機(jī)的速度(沿飛機(jī)飛行航跡相對(duì)于鳥(niǎo))等于按第25.335(a)條選定的海平面VC”[2]。因此飛機(jī)受鳥(niǎo)體撞擊后，平尾剩余強(qiáng)度能使飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸是平尾前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的首要目標(biāo)。

復(fù)合材料具有高的比剛度、比強(qiáng)度以及低的密度等特性，能有效吸收沖擊載荷。平尾前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，合理選用復(fù)合材料能有效降低因抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)帶來(lái)的增重影響，為民機(jī)提升安全性的同時(shí)也大大提高了經(jīng)濟(jì)性。

本文通過(guò)整理先進(jìn)民機(jī)平尾前緣抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)構(gòu)型，梳理出目前主流機(jī)型中平尾前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)思路。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)民機(jī)研發(fā)能力現(xiàn)狀，篩選出適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀的復(fù)合材料前緣抗鳥(niǎo)撞構(gòu)型，并從結(jié)構(gòu)選材、工藝制造性、抗鳥(niǎo)撞性能等方面開(kāi)展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 主流民機(jī)抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)思路

平尾前緣位于水平安定面前梁的前方，屬于次承力構(gòu)件，主要承受部分氣動(dòng)載荷、慣性載荷和系統(tǒng)載荷。因此，前緣結(jié)構(gòu)形式的選擇主要取決于兩方面，一方面取決于水平安定面整體結(jié)構(gòu)形式，另一方面需兼顧抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)和系統(tǒng)維護(hù)性等。

目前前緣設(shè)計(jì)可分為“單閉室”和“雙閉室”兩種形式。單閉室前緣是指前緣弦向未分塊，整體拆裝直接與主承力翼盒相連。單閉室前緣一般由蒙皮和密集的肋組成。雙閉室前緣是指前緣通過(guò)輔助梁弦向分塊。輔助梁后方結(jié)構(gòu)稱為前緣艙結(jié)構(gòu)，與主翼盒連接。輔助梁之前的結(jié)構(gòu)承受鳥(niǎo)體撞擊的絕大部分部分能量。單閉室前緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，蒙皮分塊少，便于裝配。但維修維護(hù)性較差，一旦前緣損壞或內(nèi)部設(shè)備需要維護(hù)就需將前緣整體拆下。雙閉室前緣[3]分塊多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但蒙皮發(fā)生損傷時(shí)不需更換整個(gè)前緣。前緣艙維護(hù)性好，操作空間也更大。前緣輔助梁在前緣壁板之后為抗鳥(niǎo)撞提供了又一道屏障，能更有效地保護(hù)主承力翼盒。

空客系列飛機(jī)平尾前緣設(shè)計(jì)構(gòu)型較多：A320飛機(jī)采用密肋式單閉室前緣，肋與蒙皮采用緊固件連接。A330/A340飛機(jī)采用斜撐梁+雙閉室前緣。A350飛機(jī)前緣相較于A320飛機(jī)采用了新工藝，其密肋式單閉室前緣結(jié)構(gòu)中的肋與蒙皮通過(guò)液體成型工藝連接。A380飛機(jī)則嘗試采用了新材料，最前端承受鳥(niǎo)體撞擊部分為Glare材料，結(jié)構(gòu)形式采用雙輔助梁+雙閉室前緣。

波音系列飛機(jī)平尾前緣均為雙閉室前緣。B737/B747飛機(jī)為金屬密肋式雙閉室前緣。B757/B767/B777飛機(jī)是鋁蜂窩前緣，前緣艙結(jié)構(gòu)中的梁肋均為鋁合金。以上兩種結(jié)構(gòu)形式為波音早期設(shè)計(jì)形式，重量代價(jià)較大。B787-8飛機(jī)為金屬+復(fù)材混雜膠接前緣。B787-9飛機(jī)采用了新工藝，前緣采用鈦合金波紋板吸收鳥(niǎo)體撞擊能量。

結(jié)合國(guó)內(nèi)研發(fā)能力現(xiàn)狀，民用飛機(jī)復(fù)材平尾前緣構(gòu)型選取時(shí)在單閉室構(gòu)型中可選用復(fù)材密肋式構(gòu)型，雙閉室構(gòu)型中可選取斜撐梁構(gòu)型、金屬+復(fù)材混雜膠接前緣構(gòu)型兩種。本文以金屬+復(fù)材混雜膠接前緣構(gòu)型為對(duì)象進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

針對(duì)平尾金屬+復(fù)材混雜膠接前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、吸能設(shè)計(jì)、降低危險(xiǎn)撞擊概率設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行抗鳥(niǎo)撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。圖1為平尾前緣結(jié)構(gòu)示意。

圖1 金屬+復(fù)材混雜膠接前緣結(jié)構(gòu)示意

2.1 材料選取

考慮到前緣結(jié)構(gòu)需要承受鳥(niǎo)體撞擊，金屬+復(fù)材混雜膠接前緣選取的材料需要有合適的強(qiáng)度與剛度，在滿足重量指標(biāo)的情況下保證承受前緣鳥(niǎo)體撞擊時(shí)，結(jié)構(gòu)盡可能吸收撞擊能量的同時(shí)保證自身的完整性。因此金屬需選取比強(qiáng)度、比剛度較高的材料，同時(shí)金屬+復(fù)材混雜膠接前緣還需考慮航線運(yùn)營(yíng)時(shí)的風(fēng)蝕、雨蝕問(wèn)題?？晒┻x擇的金屬材料有鋁合金、鈦合金、不銹鋼等。其性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)金屬材料性能對(duì)比

復(fù)合材料的選取主要關(guān)注其吸能特性以及其保持本身結(jié)構(gòu)完整性的性能，同時(shí)還需著眼于強(qiáng)度、剛度及與金屬結(jié)構(gòu)的匹配性?？晒┻x擇的材料為碳纖維復(fù)合材料及玻璃纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料與金屬膠接時(shí)，所選取的膠膜的固化溫度應(yīng)與對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的固化溫度相匹配。為提高結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞性能，在單向帶和織物的選取上，一般傾向于后者。

平尾前緣因內(nèi)部系統(tǒng)眾多，前緣艙下口蓋多設(shè)計(jì)為可互換、可拆卸方式，選擇耐高溫的熱固性碳纖維或玻璃纖維織物蜂窩夾心結(jié)構(gòu)，并采用快卸緊固件或便于拆卸的托板螺母連接在附近的隔板或盒段壁板外伸段上。

2.2 結(jié)構(gòu)形式權(quán)衡

本章節(jié)主要權(quán)衡金屬輔助梁、前緣艙肋以及前緣艙上下壁板的結(jié)構(gòu)形式。

平尾前緣輔助梁主要作用有三個(gè)：用于對(duì)該部段結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)；提供上下口蓋壁板的安裝口框；增加該處的抗鳥(niǎo)撞能力。輔助梁剖面形狀的選擇對(duì)固定前緣的結(jié)構(gòu)效率、重量、制造成本、維修維護(hù)、許用值等影響至關(guān)重要。

金屬輔助梁可選的結(jié)構(gòu)形式為C型、J型，工型等。三者分析對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?，在制造難度、吸能特性、維修性等方面，C型截面有顯著優(yōu)勢(shì)，所以在技術(shù)積累有限的條件下易采用C型截面。雖然在穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)中，C型截面結(jié)構(gòu)效率低于J型長(zhǎng)桁，但可以達(dá)到“重量”換取“質(zhì)量”甚至“周期”的收益。

表2 輔助梁截面形式對(duì)比

前緣艙肋主要起到維持氣動(dòng)外形、為前緣結(jié)構(gòu)提供支撐的作用。通過(guò)機(jī)加成型，前緣艙肋可以分為整體式和組合式兩種結(jié)構(gòu)形式。二者分析對(duì)比見(jiàn)表3?？梢钥吹?，整體式雖重量占優(yōu)，但制造和裝配難度都大于組合式結(jié)構(gòu)。

表3 前緣艙肋結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

前緣艙上下壁板主要起到維持氣動(dòng)外形的作用。其中下壁板根據(jù)維修性考慮，一般設(shè)計(jì)為可拆卸的口蓋?？谏w主要結(jié)構(gòu)形式可選用復(fù)合材料層板、復(fù)合材料蜂窩板或者金屬板。前緣艙上下壁板一般需要考慮平尾彎曲時(shí)的穩(wěn)定性。將口蓋作為板考慮，其受壓失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公式為：

則口蓋的穩(wěn)定性裕度：

式中：E——材料的彈性模量；

b——加載邊的寬度；

t——板的厚度；

μ——材料的泊松比；

K——壓縮臨界系數(shù)；

σ——口蓋的平均工作應(yīng)力。

由上式可以看出，在口蓋寬度一定的條件下，平尾上下壁板的穩(wěn)定性受材料彈性模量和厚度影響比較大。金屬壁板雖然彈性模量較高，但密度較高，故比模量較低，因此相同穩(wěn)定性裕度的情況下重量較重。復(fù)合材料蜂窩板中蜂窩密度低，但能高效提高上式中的t值，因此與復(fù)合材料層板相比，相同穩(wěn)定性裕度下的復(fù)合材料蜂窩板重量更輕。綜合考慮前緣艙上下壁板選擇復(fù)合材料蜂窩板。

2.3 吸能散能設(shè)計(jì)

平尾前緣的主要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)為抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，因此前緣結(jié)構(gòu)需要具有較好的吸能[4]特性。針對(duì)承受鳥(niǎo)體撞擊區(qū)域的機(jī)構(gòu)采取了如下的設(shè)計(jì)：

可卸前緣作為承受鳥(niǎo)體撞擊的第一道屏障，除了采用金屬與復(fù)合材料膠接固化連接，為提高復(fù)材部分的剛度，還通過(guò)鋪設(shè)蜂窩或者泡沫提高整體剛度。從而使可卸前緣具備了更好的吸能特性。但需要注意的是，可卸前緣曲率較大，蜂窩切割與鋪貼定位有一定難度，需要合理分布蜂窩區(qū)域。

兩段可卸前緣之間的對(duì)接形式可選的有連接帶板式連接與對(duì)接肋式連接(圖2)。

圖2 可卸前緣對(duì)接形式

相較于對(duì)接肋，連接帶板剛度低，更容易變形從而吸收能量。但是也容易在鳥(niǎo)體撞擊對(duì)接區(qū)時(shí)發(fā)生破壞，威脅內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)接肋比較剛硬，不易破壞，但吸能較差。因此如何平衡連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)，是前緣連接設(shè)計(jì)需要著重考慮的。

若可卸前緣被擊穿，則輔助梁承受第二道沖擊。在相同的截面形式下，鈑金件相較于機(jī)加件具備更好地吸能特性。一般推薦輔助梁采用鈑金成型。C型輔助梁可直接成型，J型和工型輔助梁可采用鈑金件組合成型。

除此之外，緊固件連接采取松配合，也能吸收部分能量。

2.4 降低危險(xiǎn)撞擊概率設(shè)計(jì)

前緣承受鳥(niǎo)體撞擊時(shí)，最易發(fā)生破壞的是連接區(qū)，即前緣分段處。而且連接區(qū)遭受撞擊后破壞比非連接區(qū)嚴(yán)重的多。前緣分段越多，遭遇鳥(niǎo)撞后發(fā)生嚴(yán)重破壞的概率越高。因此前緣分段需要盡可能的少，但是由于工藝能力以及裝配能力的限制，暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)可卸前緣整段成型。因此可根據(jù)工藝能力與前緣實(shí)際長(zhǎng)度尺寸將前緣分為若干段。

2.5 其他設(shè)計(jì)因素考慮

平尾前緣在航線飛行過(guò)程中，持續(xù)受到氣流中的塵埃、雨滴等的吹蝕與腐蝕作用，長(zhǎng)時(shí)間作用下可能發(fā)生漆層掉落甚至蒙皮表面磨損或穿孔。這一現(xiàn)象被稱為風(fēng)蝕損傷。因此前緣迎風(fēng)面需做好腐蝕防護(hù)，可通過(guò)可卸前緣外端的金屬蒙皮噴漆等設(shè)計(jì)舉措進(jìn)行保證。

平尾前緣內(nèi)部布置多個(gè)系統(tǒng)的管路與支架，需要具有較好的維護(hù)性和可達(dá)性。因此前緣艙下壁板一般設(shè)計(jì)為可拆卸壁板，壁板與周邊結(jié)構(gòu)采用可拆卸緊固件連接。同時(shí)可卸前緣在遭受鳥(niǎo)體撞擊后也需要進(jìn)行及時(shí)的更換，因此可卸前緣一般設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)，與周邊結(jié)構(gòu)采用可拆卸緊固件連接。

3 總結(jié)

本文結(jié)合目前主流民機(jī)平尾前緣的構(gòu)型，結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)能力現(xiàn)狀，提出一種前緣設(shè)計(jì)構(gòu)型。并從抗鳥(niǎo)撞這一最主要的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，結(jié)合復(fù)合材料的選用，對(duì)前緣內(nèi)部細(xì)節(jié)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面給出了相關(guān)的設(shè)計(jì)思路。