直升機(jī)燃油箱安裝方式設(shè)計(jì)缺陷及改進(jìn)探討

王小陽(yáng)，金 華，戴禮軍，張愛(ài)軍

(1.總參陸航部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室,江西 景德鎮(zhèn) 333002;2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 江西 景德鎮(zhèn) 333002)

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直升機(jī)燃油箱安裝方式設(shè)計(jì)缺陷及改進(jìn)探討

王小陽(yáng)1，金 華1，戴禮軍2，張愛(ài)軍1

(1.總參陸航部駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室,江西 景德鎮(zhèn) 333002;2.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 江西 景德鎮(zhèn) 333002)

直升機(jī)燃油箱的主要功能是貯存直升機(jī)任務(wù)剖面所需的燃油。分析了直升機(jī)燃油箱安裝方式的設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行了改進(jìn)研究，解決了油箱頂部局部塌陷、吊繩磨損、吊耳脫落及尼龍搭扣脫落等故障，進(jìn)一步探討了過(guò)盈量、防爆安全、火焰抑制、墜撞安全性和戰(zhàn)場(chǎng)生存力等技術(shù)。

直升機(jī)；燃油箱；安裝方式

0 引言

直升機(jī)燃油箱的主要功能是貯存直升機(jī)任務(wù)剖面所需的燃油，制造燃油箱的主要材料一般為金屬、尼龍或耐油橡膠。根據(jù)直升機(jī)任務(wù)使命的不同，直升機(jī)燃油箱可制成防彈抗墜毀橡膠軟油箱和普通橡膠軟油箱(以下簡(jiǎn)稱燃油箱)。

燃油箱需通過(guò)一定的固定方式安裝到油箱艙中，利用機(jī)體結(jié)構(gòu)支撐并維持燃油箱空間形狀。燃油箱的支撐面必須使油液載荷不集中作用在無(wú)支撐的油箱表面[1]。

1 燃油箱安裝方式設(shè)計(jì)缺陷

直升機(jī)燃油箱可采用尼龍搭扣與吊繩并用的方式安裝(見(jiàn)圖1)在油箱艙中。尼龍搭扣可承受較大的剪切力、較小的拉脫力，分別粘貼在燃油箱的外表面、油箱艙的側(cè)壁和頂部；吊繩穿過(guò)硫化在燃油箱上的吊環(huán)、吊桿和膠粘在燃油箱艙上的吊耳，并在端頭拉緊打結(jié)。

在顧客使用過(guò)程中陸續(xù)出現(xiàn)油箱頂部局部塌陷、吊繩磨損、吊耳脫落及尼龍搭扣脫落等故障現(xiàn)象。

圖1 吊繩固定燃油箱

通過(guò)對(duì)燃油箱安裝方式進(jìn)行分析和故障件檢查，得出故障原因主要有以下幾點(diǎn)：

1.1 膠粘質(zhì)量分散性較大

通過(guò)對(duì)燃油箱艙上脫落的吊耳(見(jiàn)圖2)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)吊耳粘接面有部分未粘接區(qū)域，主要原因是膠粘為特殊過(guò)程，不易檢查粘接質(zhì)量，且在粘接吊耳時(shí)，不易對(duì)吊耳表面加壓，導(dǎo)致實(shí)際粘接質(zhì)量不好，降低了吊耳的拉脫力，造成吊耳脫落現(xiàn)象。

圖2 燃油箱艙脫落吊耳

1.2 油箱吊繩在油箱艙內(nèi)的余量較多

吊繩未完全系緊，起不到良好固定油箱的作用。受油箱安裝空間的限制，在油箱安裝系緊吊繩時(shí)，安裝人員需雙手進(jìn)入油箱壁與油箱艙壁之間進(jìn)行系繩操作，吊繩系緊完成后吊繩在艙內(nèi)留有較多余量。此外，由于在油箱系繩的端點(diǎn)處需系“8”字結(jié)，此結(jié)在系緊時(shí)的位置較難控制，導(dǎo)致吊繩終點(diǎn)處的“8”字結(jié)與油箱艙的吊點(diǎn)之間存在一定的間隙，增加了吊繩在油箱艙內(nèi)的余量。

吊繩在油箱艙內(nèi)的余量如果較多，在直升機(jī)飛行一段時(shí)間后，特別是直升機(jī)在進(jìn)行大機(jī)動(dòng)飛行后，油箱壁與油箱艙壁的尼龍搭扣脫開(kāi)，吊繩的余量會(huì)移動(dòng)到油箱壁先脫開(kāi)的一側(cè)(見(jiàn)圖3)，油箱壁上B處的吊點(diǎn)會(huì)順吊繩下滑至下一個(gè)油箱艙吊耳處，導(dǎo)致油箱壁內(nèi)部出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。而在油箱的另一側(cè)A處由于無(wú)吊繩余量，油箱壁和油箱艙壁的尼龍搭扣更不易脫開(kāi)，油箱壁與油箱艙壁貼合情況較好。

圖3 燃油箱側(cè)壁吊繩安裝示例

1.3 油箱上部的尼龍搭扣不利于油箱壁的自動(dòng)復(fù)位

直升機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中，由于油箱上部箱壁剛度較差，燃油液面晃動(dòng)會(huì)帶動(dòng)油箱壁運(yùn)動(dòng)，使油箱上的尼龍搭扣與油箱壁的尼龍搭扣脫開(kāi)，同時(shí)油箱壁相對(duì)油箱艙壁會(huì)存在一定的位移，受油箱吊點(diǎn)限制，在局部會(huì)造成油箱壁集中。當(dāng)直升機(jī)的機(jī)動(dòng)飛行完成后，油箱壁的尼龍搭扣與油箱艙壁的尼龍搭扣在非初始位置粘接，造成箱壁無(wú)法復(fù)位，油箱壁形成鼓包(見(jiàn)圖4)。

圖4 油箱壁上尼龍搭扣錯(cuò)位粘接形成鼓包

此外，油箱頂部的尼龍搭扣在直升機(jī)使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)脫落，由于加油過(guò)程中，油面不會(huì)到達(dá)油箱頂部，致使油箱頂部的尼龍搭扣脫落后就再也不可能重新粘接，起不到固定箱壁的作用。

1.4 頂部吊繩受力狀況惡劣

從力的合成與分解分析得出：

F合=T繩

式中，F(xiàn)合為油箱頂部吊環(huán)或油箱壁頂部吊耳所承受的拉力；T繩為吊繩的張力；α為繩子在吊耳或吊環(huán)處的張緊角。理論上α應(yīng)為180°，而為了滿足拉緊油箱壁的部分重量，吊繩的張力需要趨向于無(wú)窮大，顯然是達(dá)不到的。在F合一定的情況下，繩子拉得越緊，T繩增加得越大。在通常拉緊的意義下，有T繩?F合，表明頂部吊繩受力狀況惡劣。

2 燃油箱安裝方式改進(jìn)研究

針對(duì)油箱安裝問(wèn)題進(jìn)行深入分析，在綜合考慮工藝性和維護(hù)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行油箱安裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)工作。

2.1 油箱頂部四周采用吊掛方式安裝

在每個(gè)油箱艙頂部四周安裝型材，再通過(guò)螺栓將型材固定在結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，型材裝有吊鉤并與油箱上的吊環(huán)連接。在油箱往油箱艙內(nèi)安裝前，先將油箱頂部的吊環(huán)與型材上的吊鉤連接固定，吊鉤的設(shè)計(jì)可保證在安裝完成后油箱吊環(huán)不會(huì)從中脫落。

2.2 油箱艙吊耳更改為機(jī)械式安裝

對(duì)油箱艙側(cè)壁的吊耳按結(jié)構(gòu)實(shí)際情況分別采用在油箱艙壁預(yù)埋鑲嵌件(見(jiàn)圖5)和與結(jié)構(gòu)共鉚(見(jiàn)圖6)的方式安裝，受力情況改善，質(zhì)量穩(wěn)定，可以杜絕由于粘接質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致吊耳脫落的故障。

圖5 預(yù)埋鑲嵌件方式安裝吊耳 圖6 鉚接方式安裝吊耳

2.3 取消油箱頂部、油箱側(cè)壁上部的尼龍搭扣

由于油箱頂部的尼龍搭扣在直升機(jī)飛行一段時(shí)間后就會(huì)脫開(kāi)，起不到固定油箱的作用，且由于油箱安裝更改為頂部固定式吊掛安裝，同時(shí)油箱頂部有通氣口、供油管路輸出口等接口與平臺(tái)連接，可保證油箱頂部不會(huì)出現(xiàn)塌陷問(wèn)題，因此油箱頂部的尼龍搭扣可以取消。由于油箱上部剛度較差，在直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，油箱壁會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，在直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行完成后，油箱壁因自身的彈性和承受燃油壓力，會(huì)自動(dòng)回復(fù)到初始狀態(tài)，若有尼龍搭扣，反而會(huì)阻礙油箱壁的自動(dòng)復(fù)位，因此取消油箱壁上部的尼龍搭扣有利于油箱壁的自動(dòng)復(fù)位。

2.4 油箱頂部吊環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吊環(huán)截面改進(jìn)設(shè)計(jì)成圓形，可以有效防止吊環(huán)對(duì)油箱吊點(diǎn)及吊繩的磨損。

3 燃油箱安裝方式幾點(diǎn)思考

通過(guò)對(duì)燃油箱實(shí)際安裝的操作和工藝思考，有幾點(diǎn)體會(huì)：

3.1 過(guò)盈量要控制適當(dāng)

GJB 5196-2003《直升機(jī)防彈抗墜毀燃油箱通用規(guī)范》[2]中規(guī)定燃油箱與油箱艙的最大過(guò)盈量不大于6.35mm。為保證油箱內(nèi)的燃油載荷由油箱艙結(jié)構(gòu)承受，油箱在油箱艙內(nèi)的安裝需要有一定的過(guò)盈量，因此油箱在油箱艙內(nèi)安裝完成后，油箱壁會(huì)存在局部輕微鼓包現(xiàn)象。但要特別注意的是，稍微過(guò)大的過(guò)盈量將導(dǎo)致死褶的出現(xiàn)，進(jìn)一步帶來(lái)降低油箱壽命和減小裝油量等不利因素。所以，在油箱研制過(guò)程中，需要不斷地與油箱艙進(jìn)行協(xié)調(diào)裝配，通過(guò)多輪的反復(fù)優(yōu)化，最終確定合理的過(guò)盈量。

3.2 防爆安全和火焰抑制技術(shù)

通過(guò)分離空氣中的惰性氣體氮?dú)猓瑢?shí)施無(wú)油空間受控惰化，并利用氮?dú)庠鰤河拖鋬?nèi)的無(wú)油空間，一方面可以增加燃油液面的壓力，提高直升機(jī)的高空工作能力，另一方面主要成分為氮?dú)庥蜌獾幕旌蠚饪梢砸种浦鸷捅ā?/p>

從燃油箱逸出的易燃油氣可能被雷擊點(diǎn)燃，在油箱的通氣口處增加火焰抑制器，可阻止墜毀情況時(shí)可能的火焰向內(nèi)傳播，降低次生災(zāi)害，提高飛行員的生存率[3]。

3.3 墜撞安全性和戰(zhàn)場(chǎng)生存力

在滿足整機(jī)的墜毀要求時(shí)，充分利用燃油附件盤(pán)底部的吸能結(jié)構(gòu)，保證吸能結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)優(yōu)先吸收墜毀動(dòng)能而損壞。其次，油箱的附件接口連接部位采用柔性變形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，保證油箱在油箱艙內(nèi)發(fā)生位移時(shí)，能夠補(bǔ)償變形。

此外，通過(guò)降低燃油箱的抗彈擊自密封時(shí)間，減少燃油泄漏帶來(lái)的次生災(zāi)害，從而提高整機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存力。

4 結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)燃油箱安裝方式，隨機(jī)型空間結(jié)構(gòu)限定以及油箱本體外形結(jié)構(gòu)不同而異，并非一成不變，但要保證一定的工藝性，便于安裝操作和日常維護(hù)，以及容納一定的燃油量。隨著技術(shù)的累積，防爆、墜撞安全性、高空適應(yīng)性、空中加油能力等技術(shù)都應(yīng)不斷研究并應(yīng)用，以滿足直升機(jī)高原和生存力需求，對(duì)增加飛行員的安全信心和完成任務(wù)使命有很大的作用。

[1] 蔣新桐，主編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第19冊(cè):直升機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2005.

[2] GJB 5196-2003,直升機(jī)防彈抗墜毀燃油箱通用規(guī)范[S].

[3] 羅伊·蘭頓，等，著.飛機(jī)燃油系統(tǒng)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2010.

Study on Design Defect and Improvement for Installation Method of Helicopter Fuel Tank

WANG Xiaoyang1, JIN Hua1, DAI Lijun2, ZHANG Aijun1

(1.Military Representative Office of the Army Aviation Department for the Headquarters of the PLAGeneral Staff in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333002, China；
2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The main function of fuel tank is storing the necessary fuel for helicopter accomplish mission. The design defect of helicopter fuel tank installation was analyzed in this article, and the improvement was studied to solve the following defect of fuel tank installation, the fall down on local tank top skin, the abrasion of ropes, the drop down of lifting lug and Velcro. The improvement of the magnitude of interference, the explosion safety, the fire control, the drop safety, and the survivability on battlefield were discussed.

helicopter；fuel tank；installation method

2015-03-21

王小陽(yáng)(1973-)，男，甘肅禮縣人，研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：直升機(jī)總體。

1673-1220(2015)02-035-03

V228.1+1

A