某型直升機(jī)水平安定面蒙皮改進(jìn)技術(shù)研究

姜峰 王政 羅亞男

摘要：為了避免某型直升機(jī)水平安定面亞麻布蒙皮易破損、易老化等故障，對亞麻布蒙皮的水平安定面翼肋、蒙皮等進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，增加了縱向構(gòu)件防止蒙皮鼓動，將改進(jìn)后的水平安定面安裝在直升機(jī)上，經(jīng)整機(jī)的重心計算驗證其符合裝機(jī)使用要求，改進(jìn)后的水平安定面提高了直升機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：水平安定面；翼肋；蒙皮；重心

Keywords：horizontal stabilizer；wing rib；skin；center of gravity

0 引言

某型直升機(jī)為俄羅斯制造的單旋翼帶尾槳運(yùn)輸型直升機(jī)。為保證直升機(jī)飛行中必要的穩(wěn)定性和操縱性，直升機(jī)尾梁后部裝有8AT-3100-00型水平安定面。該型水平安定面為分左右兩部分，對稱分布在尾梁兩側(cè)，如圖1所示。水平安定面的翼面蒙皮為亞麻布材料，正常使用中容易出現(xiàn)故障，影響直升機(jī)的正常飛行。因此，有必要開展以其他更耐用材料替換亞麻布的研究。

1 水平安定面綜述

該型水平安定面的每個半面均為鉚接結(jié)構(gòu)，主要由大梁、翼肋、前緣硬鋁蒙皮、桁條、尖部整流罩和亞麻布蒙皮等組成，亞麻布蒙皮分布在大梁后緣與翼肋后部緣條之間，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

亞麻布材料抗拉強(qiáng)度較低，耐候性差。直升機(jī)在長期的使用、停放過程中，亞麻布經(jīng)風(fēng)吹、日曬、雨淋等自然環(huán)境的侵蝕更易老化，導(dǎo)致飛行中水平安定面時常發(fā)生翼面撕裂、破損等故障，如圖3所示。

經(jīng)調(diào)研，亞麻布蒙皮水平安定面使用500h的破損率約30%，750h的破損率約50%，使用1000h的破損率幾乎達(dá)到100%，遠(yuǎn)不能滿足直升機(jī)1500h翻修間隔期的使用需求。

目前，針對該型水平安定面翼面破損故障主要采用三種方法進(jìn)行修復(fù)：一是應(yīng)急修理，用膠帶將破損部位纏繞，維持暫時飛行；二是局部粘補(bǔ)法，但粘補(bǔ)后需要24h才能干燥，若粘補(bǔ)不牢，一個飛行場次又可能被撕裂，需要重新或反復(fù)粘補(bǔ)；三是將水平安定面整體拆下送大修廠修理，翼面更換新亞麻布，修理周期大約一周。

上述三種修理方法均不能有效解決該型水平安定面翼面易損故障這一難題，嚴(yán)重影響了用戶的正常使用，因此迫切需要另尋解決途徑。

2 解決方案

為解決水平安定面翼面易損問題，經(jīng)調(diào)研和分析，決定采用兩種方案進(jìn)行解決：一是購買新型水平安定面，二是以金屬材料替換亞麻布材料。

2.1 購買新型水平安定面

咨詢俄方直升機(jī)制造廠家，可用8AT-3100-00-05新型水平安定面替代。新型水平安定面是原水平安定面的改進(jìn)型，俄羅斯后續(xù)出廠的直升機(jī)已使用了新型水平安定面。新型水平安定面翼面蒙皮為金屬材料，不易發(fā)生撕裂、破損等故障，出廠價格約為80萬元。

2.2 局部改進(jìn)

對原水平安定面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)論是完全可以對該型水平安定面進(jìn)行局部改進(jìn)。改進(jìn)方案是將大梁后緣與翼肋后部緣條之間的翼面蒙皮材料由亞麻布更換為強(qiáng)度更優(yōu)的鋁合金，蒙皮固定方式采用鉚釘鉚接。按這種改進(jìn)方案進(jìn)行估算，成本約為6萬元。

2.3 方案對比

對比以上兩種方案，第一種方案需要投入較大一筆資金進(jìn)行國外采購，且導(dǎo)致原水平安定面的大梁、前緣結(jié)構(gòu)等零組件停止使用，必然造成有用物資的浪費(fèi)，另外備件和周期受制于俄方，因此認(rèn)為宜采用第二種方案。

3 方案設(shè)計

選用局部改進(jìn)方案的目的，是既要解決亞麻布蒙皮易老化、破損等問題，又想盡量保留原有的大梁、前緣翼肋、前緣蒙皮、鋼帶等構(gòu)件。因此，改進(jìn)的主要內(nèi)容僅是水平安定面的后緣蒙皮及影響蒙皮安裝的后緣翼肋、后緣桁條。

3.1 蒙皮

主要是選擇蒙皮的材料和鋪設(shè)方式。

1）材料的選擇

實測該型水平安定面采用的112號亞麻布單位長度的抗拉力為：經(jīng)向21.2N/mm，緯向16.5N/mm。

由于直升機(jī)蒙皮為鋁合金，考慮航空制造業(yè)的通用做法，本次改進(jìn)的蒙皮選擇重量相對其他金屬材料較輕的鋁合金。

另外，考慮到材料購置的難易程度，擬選用通用的2A12（T4狀態(tài)）鋁合金板。該鋁合金板抗拉強(qiáng)度為405MPa，厚度為0.6mm，單位長度的抗拉力為243N/mm，其強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于原亞麻布蒙皮。

2）蒙皮的鋪設(shè)

在鋪設(shè)蒙皮時應(yīng)保證該型水平安定面翼型氣動外形不發(fā)生變化，上下翼面蒙皮各用一塊0.6mm厚的2A12鋁合金板鉚接在翼肋及大梁加強(qiáng)件后緣上。

3.2 翼肋和縱向構(gòu)件

1）翼肋

鋪設(shè)亞麻布蒙皮的水平安定面翼面為了保持光滑的氣動外形，在其翼肋上設(shè)計有排列整齊的穿線孔和線槽，便于用麻線將亞麻布蒙皮縫綁固定在翼肋骨架上，但該結(jié)構(gòu)形式不適用鋁合金蒙皮的鉚接固定，因此必須對翼肋進(jìn)行局部改進(jìn)。

對翼肋改進(jìn)時，不改變其氣動外形尺寸，只對鉚接安裝邊進(jìn)行改進(jìn)，將原帶有線槽的彎邊改為平直安裝邊，以保證鉚接面緊密貼合（見圖4），其中，b為邊距，S為安裝邊。

2）縱向構(gòu)件

另外，1、2、3、4號翼肋之間的距離較大，更換成鋁合金蒙皮后容易鼓動發(fā)出聲響。為此，在1、2、3、4號翼肋之間設(shè)計一個縱向構(gòu)件，經(jīng)測量確定該縱向構(gòu)件的外形尺寸，如圖5所示。

為了確定翼肋與縱向構(gòu)件鉚接的安裝邊尺寸，先選擇鉚釘直徑。實測1號翼肋厚度為1.0mm，2～7號翼肋厚度為0.6mm，鉚接層最大總厚度為1.6mm，根據(jù)公式d=2∑S，計算得出鉚釘直徑為2.53mm。因此，上蒙皮選用H3×4GB867鉚釘鉚接。為方便施工，下蒙皮選用CR3213-4-2抽芯鉚釘進(jìn)行單面鉚接。

1～6號翼肋和加裝的縱向構(gòu)件為單排鉚接，選擇的鉚釘直徑為3mm，邊距b為6～7mm，最小安裝邊尺寸Smin= 2b+d=2×6+3=15mm。

7號翼肋除鉚接后緣蒙皮外，還需鉚接一排安裝翼尖罩的M4GB930螺座，鉚釘排距t=3d=3×3=9mm，鉚接安裝邊最小寬度Smin=2d+t+2b=2×3+9+ 2×6=27mm，即水平安定面設(shè)計安裝邊寬度應(yīng)為35mm。

3）后緣

原后緣結(jié)構(gòu)不適用改進(jìn)后的蒙皮鉚接，應(yīng)予以拆除。水平安定面后緣設(shè)計為2mm厚的2A12鋁合金墊片，鉚裝于上下蒙皮之間。

4 校核重心

由于水平安定面的改進(jìn)需更換蒙皮材料和部分結(jié)構(gòu)，可能影響直升機(jī)整機(jī)的重心分布，因此需要對改進(jìn)水平安定面后的直升機(jī)重心進(jìn)行測量、校核，以確保直升機(jī)飛行安全。

對改進(jìn)前后的水平安定面進(jìn)行稱重，實際的數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1計算改進(jìn)后的水平安定面對直升機(jī)重心的影響。

改進(jìn)前后水平安定面重量增加如下：

直升機(jī)重心偏離范圍為300～-90mm之間。根據(jù)該型直升機(jī)維護(hù)手冊要求，安裝改進(jìn)后的水平安定面符合直升機(jī)重心偏離規(guī)范。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對兩架水平安定面改進(jìn)后的直升機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)其使用1000飛行小時后再未發(fā)生水平安定面蒙皮撕裂、破損等故障，也未影響其他結(jié)構(gòu)部件及設(shè)備的使用。

結(jié)果證明，局部改進(jìn)的思路既提高了直升機(jī)的出勤率，又節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。因此，現(xiàn)已對該改進(jìn)方案進(jìn)行推廣，現(xiàn)役直升機(jī)水平安定面亞麻布蒙皮全部改成鋁合金材料。

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