民用飛機(jī)垂直安定面結(jié)構(gòu)型式分析

李洪昌

摘 要：垂直安定面用以保證飛機(jī)航向的平衡與穩(wěn)定性，并懸掛方向舵以對(duì)飛機(jī)實(shí)施航向操縱。垂直安定面結(jié)構(gòu)型式的選擇將直接影響其剛度和強(qiáng)度性能，選擇合適的結(jié)構(gòu)型式，可以使飛機(jī)在結(jié)構(gòu)重量，制造和運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本方面更具優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提升飛機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該文通過(guò)對(duì)目前航線上運(yùn)輸類飛機(jī)垂直安定面結(jié)構(gòu)型式的歸納、對(duì)比和分析，總結(jié)出垂直安定面各種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)，可供相關(guān)飛機(jī)設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī) 垂直安定面 結(jié)構(gòu)型式

中圖分類號(hào)：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（a）-0071-02

垂直安定面用以保證飛機(jī)航向的平衡與穩(wěn)定性，并懸掛方向舵以對(duì)飛機(jī)實(shí)施航向操縱。垂直安定面結(jié)構(gòu)不僅要承受自身的氣動(dòng)和慣性載荷，還要承受方向舵通過(guò)其懸掛接頭和操縱接頭傳遞的集中載荷。為達(dá)到足夠的臨界顫振速度和確保方向舵的正常偏轉(zhuǎn)，垂直安定面一般按剛度設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)型式的選擇將直接影響其剛度和強(qiáng)度性能。根據(jù)總體和功能要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)型式，可以在滿足剛度、強(qiáng)度和功能的前提下，減輕垂直安定面的結(jié)構(gòu)重量，或者改善其工藝性、維護(hù)性，從而提升飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

該文針對(duì)目前航線上運(yùn)營(yíng)的主要客機(jī)，對(duì)其垂直安定面的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)制造工藝的要求，以供相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員參考。

1 垂直安定面盒段結(jié)構(gòu)型式

目前民用飛機(jī)的垂直安定面盒段大致有兩種結(jié)構(gòu)型式：一種是雙梁（或帶輔助中梁）+翼肋和壁板組成主承力翼盒的“單閉室”結(jié)構(gòu)，空客各型客機(jī)、波音737以及高平尾布局的MD82/90和CRJ各型飛機(jī)的垂直安定面均采用這種結(jié)構(gòu)型式；另一種是主承力翼盒+輔助扭力翼盒（前緣艙）的“雙閉室”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)型式從波音747客機(jī)開(kāi)始使用，一致延續(xù)到最新的787客機(jī)。兩種結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

對(duì)比兩種垂直安定面盒段的結(jié)構(gòu)型式可以發(fā)現(xiàn)，“單閉室”盒段的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)件少，有利于簡(jiǎn)化裝配工藝；而“雙閉室”的結(jié)構(gòu)則相對(duì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)件較多，裝配工藝較為煩瑣。但采用“雙閉室”型式的垂直安定面由于在前梁前面增加了輔助梁（前緣梁），使得垂尾前緣的抗鳥(niǎo)撞性能大為提升，也提高了垂尾的抗扭剛度，同時(shí)輔助扭力翼盒的設(shè)計(jì)也為系統(tǒng)構(gòu)件提供了安裝空間，便于對(duì)運(yùn)營(yíng)飛機(jī)垂尾內(nèi)系統(tǒng)構(gòu)件的檢查、維護(hù)和更換。

歸納兩種結(jié)構(gòu)型式所涵蓋的機(jī)型還可以發(fā)現(xiàn)，波音公司從747一直到787飛機(jī)，均采用了“雙閉室”的垂直安定面，而空客公司的各型飛機(jī)和波音早期機(jī)型737則采用“單閉室”型式的垂直安定面，這種設(shè)計(jì)理念的不同主要應(yīng)歸因于歐美適航條款對(duì)于垂尾抗鳥(niǎo)撞要求的差異。歐洲航空安全局（EASA）在其運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CS-25.631中要求，尾翼結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受重1.8kg鳥(niǎo)的撞擊。而美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）受1962年“子爵號(hào)”空難事件的影響，在其后修訂的FAR-25.631中，增加了對(duì)尾翼結(jié)構(gòu)能夠承受重3.6 kg鳥(niǎo)撞的要求[1]。由于FAR-25對(duì)鳥(niǎo)撞要求更為嚴(yán)格，因此波音公司的客機(jī)采用“雙閉室”型式的垂直安定面，這種結(jié)構(gòu)型式在保證適航條款對(duì)抗鳥(niǎo)撞要求的同時(shí)具有重量?jī)?yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)某型飛機(jī)進(jìn)行的垂尾前緣鳥(niǎo)撞試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2 垂直安定面與機(jī)身的連接型式

垂直安定面后方懸掛方向舵，下端固定于機(jī)身上。在投入航線運(yùn)營(yíng)的客機(jī)上，垂直安定面與機(jī)身的連接型式主要有三種：

梁框連接型式：垂直安定面的梁插入機(jī)身與機(jī)身隔框連接。

整體接頭型式：垂直安定面復(fù)材壁板下端伸出耳片與機(jī)身的雙耳接頭連接。

獨(dú)立接頭型式：通過(guò)主承力翼盒下端的獨(dú)立金屬接頭與機(jī)身連接。

三種連接型式的示意圖見(jiàn)圖2。

梁框連接型式在高平尾布局的飛機(jī)中較為常見(jiàn)，如MD82/90，CRJ等。這種垂直安定面與機(jī)身的連接型式傳力直接，連接牢靠，連接剛度大，適合于對(duì)垂尾剛度要求較高的高平尾布局飛機(jī)。但梁框連接型式的垂直安定面與機(jī)身工藝分離面不明確，垂尾需要與機(jī)身裝配后整體交付與運(yùn)輸，不利于多個(gè)制造廠商的分工協(xié)作，而且垂直安定面中梁的緣條和腹板一般為分離設(shè)計(jì)，僅適用于金屬結(jié)構(gòu)的組合梁，故在復(fù)合材料垂尾的飛機(jī)中不采用這種連接型式。

整體接頭的連接型式多見(jiàn)于空客的飛機(jī)，如A300、A320、A330及A380等，這種連接型式用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的垂直安定面，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，連接件少，傳力路線連續(xù)且簡(jiǎn)單、直接，垂直安定面根部的接頭與復(fù)合材料加筋壁板設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，可以避免傳力路徑的轉(zhuǎn)折，減少附加彎矩的產(chǎn)生，能以相對(duì)較輕的重量來(lái)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能要求，同時(shí)也使裝配工藝得到簡(jiǎn)化。但這種整體接頭的連接型式也有很大不足，首先是由于接頭處厚度很大，對(duì)制造工藝的要求非常高，復(fù)合材料制件固化后的變形控制比較困難，而且加筋壁板整體接頭的成型工藝復(fù)雜；其次是垂直安定面與機(jī)身接頭的配合精度要求高，需要專門的工裝配合；再次就是飛機(jī)投入航線運(yùn)營(yíng)后，連接接頭一旦損壞，其修理和更換將及其困難。

獨(dú)立接頭的連接型式一直被波音公司所采用，如757、767、787等，波音737與747飛機(jī)垂直安定面與機(jī)身的連接型式也可歸屬于這一類。另外，空客公司最新的A350飛機(jī)也采用了這一連接型式。獨(dú)立接頭連接型式的優(yōu)點(diǎn)是零件制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)傳力分工明確，連接結(jié)構(gòu)損壞后的修理和更換也比較方便，維護(hù)和修理成本較低。但其缺點(diǎn)是連接件多，裝配復(fù)雜，且重量相對(duì)較大；連接件受力中心線與壁板蒙皮存在偏心，局部蒙皮要承受較大彎矩；壁板與接頭件需要機(jī)械連接，壁板上的螺栓孔將導(dǎo)致復(fù)合材料的纖維被剪斷，強(qiáng)度損失比較大。

3 結(jié)語(yǔ)

歐美適航條款對(duì)飛機(jī)抗鳥(niǎo)撞要求的差異，直接影響著垂直安定面盒段的結(jié)構(gòu)型式。中國(guó)民用航空規(guī)章CCAR-25-R3中對(duì)尾翼抗鳥(niǎo)撞的要求與FAR-25相同[2]，而“雙閉室”的垂直安定面對(duì)于飛機(jī)抵抗鳥(niǎo)撞有顯著優(yōu)勢(shì)，故這種結(jié)構(gòu)型式對(duì)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)更具參考意義。

對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的垂直安定面，在三種與機(jī)身的連接型式中，整體接頭型式或者獨(dú)立接頭型式是較好的選擇。整體接頭型式連接效率高，結(jié)構(gòu)重量輕，這種連接型式原來(lái)一直被空客公司所采用，也是其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的典范，但在其最新的A350上，卻改用了獨(dú)立接頭的連接型式，垂直安定面根部與機(jī)身件通過(guò)五對(duì)金屬接頭連接，這也是空客公司對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量、制造、維護(hù)和修理成本均衡考量后的優(yōu)化結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張柱國(guó)，郝一鳴.運(yùn)輸類飛機(jī)鳥(niǎo)撞及符合性驗(yàn)證綜述[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013（6）：

1-4.

[2] 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn).中國(guó)民用航空規(guī)章第25部，CCAR-25-R3.中國(guó)民航總局[S].2001.endprint