民用飛機IPS吊掛接頭設計

張仲楨　崔衛軍　廉偉

【摘 要】IPS（Integrated Propulsion System）一體化推進系統吊掛，是一種全新的吊掛形式。針對全新IPS吊掛，設計全新吊掛接頭，并描述了吊掛接頭結構設計方法、載荷傳遞路徑、應急斷離等內容。

【關鍵詞】IPS；吊掛接頭；結構；載荷；應急斷離

0 引言

吊掛接頭是飛機機體結構上重要結構件之一，將吊掛連接到外翼盒段上。發動機產生的拉力和反推力通過吊掛接頭，傳遞到外翼盒段上，帶動飛機起飛滑跑、空中飛行和降落減速。在民用飛機設計中，為了降低意外和事故的影響程度，減少對機組及乘客的傷害，往往在應急著陸的情況下，吊掛與外翼整體油箱應急分離的設計方式，吊掛接頭處就是該應急分離的位置。

1 翼下發動機吊掛連接形式

民用飛機的翼下吊掛結構一般左右外形對稱，結構布置相同，左右可以互換，吊掛與外翼相連，常用的連接方式可以分為：盒式梁式結構、超靜定多連桿式結構。

1.1 盒式梁式結構

盒式梁式結構吊掛上梁布置的接頭與外翼前梁上布置的接頭連接，承受吊掛扭轉載荷及大部分重量。盒形梁延伸到外翼下壁板中后部，與外翼盒段下壁板上布置的后接頭連接，用來承受吊掛側向載荷及小部分重量。下壁板上靠近前梁處布置一個大銷子，插到吊掛中部，發動機吊掛的拉力、反推力都是通過該銷子傳遞到外翼盒段上。空客系列民機采用該吊掛結構形式。如圖1所示。

1.2 超靜定多連桿式結構

超靜定多連桿式吊掛，一般設計有上、中、下三類接頭。上接頭通過上支撐桿連接外翼前梁接頭，傳遞發動機吊掛的推力、拉力及部分重量。吊掛后部上側通過中接頭與下壁板前梁附近的接頭連接，傳遞發動機吊掛的推力、拉力、大部分重量、扭轉載荷以及側向載荷。吊掛后部下側下接頭通過斜撐桿與外翼下壁板中部的接頭連接，傳遞發動機吊掛的推力及拉力。這種結構是承受發動機吊掛載荷較好的結構，可以減輕結構重量，屬于一次超靜定結構，具有結構破損/安全性。波音系列民機采用該吊掛結構形式。如圖2所示。

2 IPS吊掛接頭設計

2.1 IPS吊掛特點

IPS（Integrated Propulsion System）吊掛采取前傳扭形式，在后安裝節區域比傳統吊掛窄了很多，使發動機具有良好的涵道氣動性能。推進器的一體化設計貢獻的1.5%的油耗降低中，0.75%的油耗降低是直接由吊掛設計創造的。

2.2 IPS吊掛接頭布置

IPS吊掛設計采用超靜定多連桿式結構，所以吊掛接頭采用上接頭，下接頭和后接頭三類接頭設計方式。上接頭布置在前梁前，與上支撐桿連接。下接頭分為外下接頭、中下接頭、內下接頭三個，布置在外翼下壁板前梁附件。后接頭布置在下壁板后側。如圖3所示。

由于IPS吊掛及吊掛整流罩較窄，為防止下接頭凸出整流罩外形面，下壁板連接的接頭底部設計小角度轉折。這會引起載荷傳遞過程中局部應力集中，在設計接頭底板和下壁板是要對該處進行局部加強。如圖4所示。

2.3 IPS吊掛接頭結構設計：

上接頭布置在上、下壁板、前梁前部組成的半封閉盒段內，如圖5所示。沿著上連桿的軸線方向向上沿伸，剛好到前梁腹板和上壁板交界處。上連桿的載荷通過上接頭，可以直接傳遞到梁腹板和上壁板，由梁腹板的剪力和上壁板內剪力平衡，并且無附加彎矩，載荷傳遞更直接。上接頭選用鈦合金材料，安全銷選用合金鋼材料，為防止異電位腐蝕，接頭襯套選用銅合金材料。翼盒前梁為滿足要求設計得剛度較大，腹板、緣條厚度較厚，并在上接頭位置布置一個加強筋。如圖6所示。

外下接頭組件與吊掛中接頭外側耳片連接，如圖7所示，布置在上接頭外側、下壁板下方，接頭連接孔位置在前梁正下方，孔軸線方向垂直于航向。外下接頭采用鈦合金，安裝孔安裝銅合金的襯套，尾部需懸掛吊掛后緣整流罩，布置一個耳片連接整流罩。在外下接頭上面，前梁前面布置前角盒，前角盒背面與前梁腹板連接，用于將接頭載荷傳遞到前梁腹板上。在外下接頭上面、前梁內側布置加強筋增加剛度。外下接頭尾端延伸到下前壁板，在翼盒內布置角盒，可以將外下接頭尾端的載荷傳遞到翼肋上。如圖8所示。

內下接頭組件與吊掛中接頭內側耳片連接，如圖9所示，布置在上接頭內側、下壁板下方，接頭連接孔位置在翼肋正下方。內下接頭采用鈦合金，安裝孔安裝銅合金的襯套。尾部也設計連接整流罩的耳片。另外尾部腹板側邊需安裝吊掛后緣整流罩調節拉桿，所以布置一個接頭。內下接頭上、翼盒內布置角盒與前梁腹板連接、翼肋連接，角盒底部直接與內下接頭前端連接，這樣內下接頭承受的吊掛載荷可以直接傳遞到翼盒的下壁板、前梁和翼肋上。內下接頭尾端延伸到下中壁板兩個肋之間。翼盒內布置一個拉桿，將內下接頭尾端與翼盒內結構連接起來。拉桿一側連接翼肋和長桁處的接頭，另一側連接內下接頭尾端處翼盒內的接頭。如圖10所示。

中下接頭組件包括中下前接頭、中下后接頭和關節軸承，如圖11所示。中下接頭組件布置在內下接頭、外下接頭之間，上接頭正下方，與吊掛側向連桿連接。主接頭是由中下前接頭和中下后接頭兩個背靠背的接頭鉚接組成的，兩個接頭都采用鈦合金，背靠背接頭可以增加接頭的損傷容限性能。接頭孔中心交點位置在梁腹板正下方，載荷傳遞到翼盒的路徑更直接。接頭孔中心安裝一個關節軸承，用來調整安裝時的角度公差。中下接頭布置在上接頭正下面，采用4個螺栓連接在翼盒上。前面2個螺栓直接連接在上接頭底板，后面2個螺栓連接到梁下緣條上，載荷直接通過上接頭、梁緣條和加強筋傳遞到梁腹板上。如圖12所示。

后接頭與斜撐桿連接，承受發動機工作時吊掛傳遞過來的拉力以及發動機反推產生的推力。如圖13所示。后接頭孔中心布置在吊掛對稱面和翼盒翼肋平面交線上。斜撐桿的載荷可以分解為下壁板的面內載荷和垂直下壁板的面外載荷。面內載荷直接傳遞到下壁板上，面外載荷通過翼肋傳遞到翼盒上。后接頭采用鈦合金，安裝一個自潤滑關節軸承，調節斜撐桿與后接頭之間的角度公差。在翼盒內翼肋兩側，后接頭正上方分別布置了兩個角盒：內角盒和外角盒，角盒底部與后接頭前部連接，角盒腹板與翼肋腹板連接，后接頭承受豎直方向的載荷分量可以直接傳遞到翼盒上。后接頭后端一直延伸至后梁腹板前，后接頭后端直接與后梁下緣條連接，后梁在該處腹板上增加2個縱向立筋，用于增加該處腹板的剛度，如圖14所示。

2.4 吊掛接頭應急斷離設計

適航條款要求應急著陸時，油箱有防護措施。如圖15所示。這就要求吊掛有應急斷離設計要求。吊掛接頭和吊掛全部采用安全銷連接。當發動機著地時，由于地面載荷向上，斜撐桿的安全銷首先被剪切斷，后續連接上支撐桿的安全銷也被剪切斷，發動機繞吊掛中接頭向上旋轉。外下接頭和內下接頭與吊掛中接頭耳片底部分別有6°和3°夾角。如圖16所示。當發動機向上轉3°時，內下接頭耳片的安全銷開始剪切。繼續旋轉，內下接頭安全銷已剪斷，當轉到6°時，外下接頭的安全銷開始剪切。此時只有外下接頭連接吊掛，受慣性力的影響，發動機和吊掛會向遠離客艙的外翼外側傾斜。當外下接頭的剪切銷剪斷后，發動機完全斷離，向機翼翼梢脫離，保護了油箱和客艙安全。

3 結論

IPS吊掛接頭及安全銷通過試驗件已驗證該設計方案的可行性。隨著分析手段的提高，設計方法、分析技術、制造技術不斷進步，吊掛接頭的設計會向著結構設計方案更簡單，承載能力更好，使用性能更安全、更可靠發展。

【參考文獻】

[1]劉亞奇，胡錦旋，劉星北，關志東，王秀鳳.翼下發動機吊架及其與機翼連接結構研究[J].民用飛機設計與研究，2009，S1：74-75.

[2]范耀宇，郭海沙，馬世偉.民用飛機吊掛應急斷離設計研究[J].民用飛機設計與研究，2010，04：28-29.

[3]李衛平，譚偉，薛彩軍，聶宏.民用飛機發動機吊掛部段靜力試驗與經強度分析[J].南京航空航天大學學報，2011，43：732-737.

[4]薛彩軍，譚偉，聶宏.民用飛機發動機吊掛靜力試驗技術研究.實驗力學[J].2011，26：735-742.

[5]《飛機設計手冊》總編委會.飛機結構設計手冊10[M].航空工業出版社，1985：515-521.

[責任編輯：楊玉潔]