民用大型客機超臨界機翼系統布置設計的初步分析研究

陳麗華　趙海濤　陳裕

【摘 要】民用大型客機的后繼發展方向是以更加安全、更加經濟、更加環保和更加舒適為基本特征的。超臨界機翼是能更好的追求這些特征的一項重大的先進技術。但是，運用超臨界機翼這項新技術的同時提高了機翼系統布置的難度。本文提煉了機翼協調區的布置設計流程，說明了在布置的過程中需權衡和考慮的因素，為大型客機機翼系統布置提供設計思路。

【關鍵詞】大型客機；超臨界機翼；機翼系統布置

【Abstract】The development direction of civil aircraft is the basic characteristics of more safety， more economy， more environmental and more comfort. For the purpose of better characteristics， supercritical Wing is one of the most significant advanced techniques. However， this will bring more difficulties to the systems layout of wing. This article abstracts the design procedure of wing and illustrates all kinds of factors that should been considered in the arrangement design. Some design considerations for the systems layout of wing will be introduced in this article.

【Key words】Civil Aircraft； Supercritical Wing； Systems layout

0 引言

起飛總重超過100噸的運輸類飛機一般稱為大飛機。國內通常將150座以上的民用運輸機稱之為大型客機，但是由于各國的航空工業技術的不同發展水平，國際航運體系通常將300座以上的民用運輸機稱為大型客機[1]。機翼是連接到機身兩邊的翅膀，也是支持飛機飛行的主要升力表面。為了滿足更好的安全性、經濟性、環保性和舒適性，選用一副性能優越的機翼非常重要。大型客機制造商通常采用以下先進技術來設計飛機：超臨界機翼、機載設備模塊化設計、吊掛短艙一體化設計、系統冗余設計。運用這些新技術的同時也增加了機翼系統布置的難度。

1 機翼的布置設計依據

1.1 機翼的通用設計要求

根據機翼在飛機上的用途和使用要求，設計機翼時，一般有如下要求：

1）保證機翼外形滿足氣動設計要求，曲面光順盡量無凹凸；

2）盡量保證機翼左右兩側對稱布置；

3）由于機翼中安裝很多系統設備和管線路，在滿足機翼自身結構強度外，還需滿足各系統的安裝以及安全性、維修性等要求。

1.2 機翼內部系統管線路布置與走向遵循原則

根據不同形式管線路，原則上應先布置拉桿、然后布置鋼索最后再布置管路與電氣線束；根據管線路尺寸，應遵循先粗后細，先硬后軟的原則；根據承載介質不同，原則上應當遵循，從上到下依次為：氣體、水/廢水、易燃及腐蝕性液體。電纜線束應布置在液體管路上方，避免液體泄漏到電纜上造成污染，如無法滿足，則必須采取措施避免電纜線束被泄漏液體腐蝕，保證安全性。

1.3 間隙要求

靜止件與靜止件間隙至少要保證為0.25英寸，靜止件與運動件間隙至少保證為0.5英寸，運動件與運動件間隙至少保證為1英寸，若系統有特定的間隙要求，則以特定間隙要求為準。

1.4 總體布置設計要求

民用大型客機機翼系統布置需要滿足適航的要求，機翼一般都用作燃油箱，需考慮燃油箱防爆適航條款CCAR25.981（a）、鳥撞、發動機轉子爆破（翼吊飛機）、飛機輪胎爆破和擺桿影響等[2]。

2 機翼協調區布置流程介紹

根據結構設計方案及相關設計要求規范進行結構布置和系統布置的細化設計，機翼的布置流程如圖1所示。

機翼布置是一個反復與迭代的過程，要充分考慮系統的安裝維護和間隙要求，還要考慮不同系統之間、系統與結構之間，以及系統或結構的更改對其他系統的影響等。本文主要分析大型客機的機翼系統布置，一般有下述幾個特點：

1）大型客機適航審定基礎一般是CCAR25部，滿足適航要求是機翼系統布置的首要考慮因素；

2）超臨界機翼一般內部布置空間比較狹小，需要滿足機翼的氣動外形、運動機構和復合材料的使用要求，同時滿足各系統之間的間隙要求和相對位置的要求；

3）超臨界機翼在飛行過程中一般會發生彈性變形，必須結合不同的飛行工況，細化分析不同的運動極限狀態下機翼結構和系統、系統和系統之間的間隙要求；

4）需要考慮翼吊形式發動機短艙對機翼內部系統布置和安全性的影響。

圖1 機翼布置流程圖

3 機翼結構和機翼系統介紹

3.1 機翼結構介紹

民用大型客機出于安全性考慮，通常將燃油存儲在機翼當中，所以機翼多采用雙梁多肋式結構，貫穿整個機身。這樣的結構布局既可以滿足燃油存儲的要求，也可以為其他系統留出布置空間[3]。雙梁多肋式結構通常將飛機分為機翼前后緣、盒段和中央翼。盒段在機翼根肋處（機身側壁處）與中央翼對接，在翼尖端肋處與翼稍小翼對接。機翼前后緣包括固定前、后緣，前緣縫翼、后緣襟翼、副翼、擾流板。如圖2所示。

3.2 機翼內部系統介紹及布置考慮

機翼內部通常包括以下系統：飛控系統、燃油/惰化系統、氣源系統、防冰系統、液壓系統和電氣線路互聯系統（EWIS）等。機翼前梁之前的固定前緣和前緣縫翼，主要布置飛控系統、氣源系統、燃油系統和防冰系統；機翼后梁之后耳朵后緣艙、后緣襟翼和三角區等，主要布置飛控系統和液壓系統；前后梁之間盒段，主要布置燃油/惰化系統和液壓系統。

圖2 機翼結構示意圖

3.2.1 飛控系統

飛控系統一般有電傳和機械兩種形式。電傳操縱系統是將飛行員的操縱信號，經過變換器變成電信號，通過電纜直接傳輸到自主式舵機的一種系統，可實現復雜的操作，但也有占有空間大，重量重的缺點。機械操縱是駕駛桿通過鋼索、搖臂、扇形盤等連接到作動筒上，作動筒推動縫翼和襟翼實現運動，無法實現復雜的操作，但所需布置空間小，相對重量輕。從機翼系統布置空間分析的角度上，機械傳動形式要好于電傳形式，但在電傳操縱的可靠性大大提高、并采用了余度技術后，電傳操縱的可靠性接近、甚至超過了機械操縱系統的可靠性，于是一些最新的飛機比如A320、A330、A340、B777等，都采用了全電傳操縱系統[3]。

飛控系統一般分為高升力系統和主飛控系統。機翼高升力系統由襟翼系統和縫翼系統組成。布置在機翼后緣的襟翼系統一般包括襟翼位置傳感器、襟翼傾斜傳感器、翼尖剎車組件、扭力管、角齒輪箱、扭力管支架、旋轉作動器。布置在機翼前緣的縫翼系統一般包括縫翼位置傳感器、縫翼傾斜傳感器、翼尖剎車組件、扭力管、角齒輪箱、扭力管支架、旋轉作動器。機翼主飛控系統包括地面擾流板作動器，多功能擾流板作動器和副翼作動器。可選用的作動器按其與結構連接方式可以分為法蘭盤式作動器、點對點式作動器和分體式作動器。

圖3 法蘭盤式作動器

法蘭盤式作動器的特點為：（1）重量較大；（2）作動器剛度低；（3）抑制舵面顫振能力相對較弱；（4）使用連桿對活塞桿有徑向力作用，對作動器密封件不利，導致作動器外泄漏量略大；（5）液壓和電器接口固定，不隨作動器一起運動，連接方便；（6）占用空間小，適合于薄機翼后緣舵面驅動使用。圖3所示。

圖4 點對點式作動器

點對點式作動器特點為：（1）重量相對較小；（2）作動器剛度大；（3）抑制舵面顫振能力強于法蘭盤式作動器；（4）外泄漏量相對較小；（5）點對點作動器兩端的關節軸承能吸收制造安裝造成不對準偏差；（6）作動器反作用力垂直于后梁腹平面，對后梁結構受力相對不利；（7）液壓端口和電器端口隨作動器一起偏轉，需要使用旋轉接頭或軟管、螺線管等；（8）需要后梁空間足夠大，以滿足作動器偏擺的空間要求。圖4所示。

圖5 分體式作動器（REU遠程控制電子）

分體式作動器在CRJ145和B747（方向舵作動器）等飛機上已經使用過，主要是用在安裝空間十分狹小，無法布置作動器殼體的部位。該種作動器的潛在優勢為可以設計研發通用液壓殼體，供各舵面作動器使用。但由于殼體與活塞缸分離，增加了油路長度，導致作動器剛度下降約10%。因此僅在安裝空間不允許使用殼體與活塞缸集成一體的作動器時才予以考慮使用，圖5所示。

采用超臨界機翼設計時，后緣空間相對緊張，應優先考慮選用點對點作動器；在空間位置有限的位置（如機翼外段副翼艙）布置作動器時可適當考慮選用成熟的法蘭盤式作動器；在上述兩種形式的作動器均無法安裝時再考慮選用分體式作動器。

3.2.2 燃油/惰化系統

為解決空間和油量之間的矛盾，目前大型客機多采用結構油箱，將中央翼和外翼內部進行防腐和密封處理，用作裝載燃油。比如B737飛機采用三油箱布局，分為1號主油箱、2號主油箱和中央油箱。在主油箱外側，一般布置通氣防溢油箱。在油箱內布置增壓泵，采用交輸供油系統，可實現任何油箱都能向任何發動機供油。油泵采用快卸結構，不放油即可拆卸油泵。在油箱內采用引射泵，借助增壓泵的動力流，可將死區（一般位于油箱較低處）的油液引射到增壓泵的進口，保證不可用燃油量最小。

現代民用大型飛機必須加裝惰化系統，主要是為了滿足CAAC、FAA和EASE的最新條例及其修正案提出的對燃油箱可燃性暴露的新要求。在機翼油箱中加入惰化氣體，使油箱液面上方的氧氣濃度滿足適航條例規定的安全值，以防止油箱發生爆炸。惰化系統的管路基本位于油箱內，主要考慮與油箱內其他管線路的間隙要求。

對翼吊發動機布局的機翼而言，發動機發生轉子非包容性爆破極有可能會擊穿油箱，對飛機的安全性造成很大的危害，所以通過在機翼上設置干艙，可以有效的阻止危害飛機安全的事故發生。干艙就是油箱中的一塊隔艙，與周圍完全隔離，里面沒有燃油，可以保證油箱的完整性。干艙可以防止碎片擊穿油箱后，燃油滴落到發動機火區之上造成火災。干艙的劃分與動力系統的構造、機翼外形、機翼結構、機翼油箱劃分、短艙的安裝位置、安裝姿態和動力系統本體相對于短艙的位置、以及轉子站位等有關，同時其體積的大小還對全機油箱的容積有一定的影響，故干艙體積不能太大，否則會影響到全機的油量。

3.2.3 氣源系統

氣源系統的高壓導管穿過機翼協調區，是連接氣源和下游用氣用戶的橋梁和紐帶。高壓導管中流動的是高溫高壓空氣，導管的泄漏或損壞不僅影響氣源系統功能的實現，而且會給飛機結構和其他系統帶來安全隱患，因此需在高壓導管表面包覆隔熱層，同時沿高壓導管走向上需安裝引氣泄漏過熱探測系統，故管路直徑比較大。布置時，主要考慮高溫高壓氣體對周圍設備和結構的影響。高壓導管在熱應力、機械應力、飛機加速度、機體振動和變形等多種復雜載荷作用下，會產生較大結構變形和位移，布置時要考慮和周圍設備結構的間隙要求。

3.2.4 防冰系統

現役民用大型飛機防冰系統普遍使用的是熱氣對左右機翼的前緣縫翼進行防冰。防冰系統在機翼主要布置伸縮管、笛形管、溫度傳感器、防冰引氣管和防冰活門。從發動機引出的氣經過防冰引氣高壓導管和可伸縮管段輸送到機翼前緣“D”形腔內的笛形管，通過笛形管上分布的小孔將熱氣噴到整個前緣加熱蒙皮表面進行防冰。類似氣源系統的高壓導管，布置時也要考慮對周圍設備和結構的熱影響和間隙要求。

3.2.5 液壓系統

現代民用大型飛機液壓系統的常規系統構架一般由三套相互獨立的子系統組成，為飛機上的液壓用戶提供壓力和流量。機翼上的液壓用戶主要包括擾流板作動器、副翼作動器等（大型飛機通常還包括襟翼、縫翼）如圖6所示[4]。

將所有的液壓管路均沿機翼后緣布置是傳統方式的布置，但對超薄型機翼而言，由于機翼后緣空間非常狹小。以某型民用飛機為例，其超薄翼型的后梁與后緣之間距離僅為104mm，與同類機種相同位置200～300mm的距離相比非常狹小，無法提供足夠的空間以滿足3套系統導管集中敷設的傳統方式的要求。2套液壓系統進入機翼燃油箱內部的方案，其中一套液壓系統沿機翼后緣敷設。液壓系統布置在機翼油箱內可借助機翼結構達到保護機翼內部液壓系統的功能，既解決了布置空間狹小的問題，還具有系統隔離、提高系統可靠性的優勢。

圖6 某型飛機機翼區液壓用戶配置

3.2.6 電氣線路互聯系統（EWIS）

電氣線路互聯系統（EWIS）是指安裝在飛機任何區域的各種電線、布線器件、或它們的組合，包含端接器件在內，用來在兩個或多個預制端接點之間傳輸電能。類似于液壓系統的功能，主要為飛機上的用電設備提供能源。一般在機翼前緣和后緣，沿結構減輕孔，設置左右對稱的線束主通道，見圖7。

圖7 機翼線束主通道設置示意圖

對于翼吊形式的短艙，還需要考慮饋電線（1G、2G）和發動機信號線的布置，一般通過發電機向上進入吊掛，沿吊掛敷設至機翼后緣，再穿過機身隔框進入機身的主配電設備。布置的時候，還需要考慮饋電線對信號線的電磁干擾和周圍發熱的引氣管路對電纜的影響，如圖8。

圖8 機翼和吊掛區域線束主通道設置

對于機翼油箱內部的用電設備，比如，燃油量指示系統（FQIS）的燃油遠程數據集中器（FRDC），一般布置左右對稱的燃油測量線束組件通道，如圖9所示。

圖9 燃油測量線束組件的通道設置

4 機翼系統布置舉例

本節主要對某大型客機機翼后緣系統布置進行舉例，機翼后緣主要包括機翼后梁之后的所有機翼結構部分和空間（不包括主起落架艙的部分），主要包括襟翼艙、襟翼、襟翼滑軌、主起落架三角區、擾流板、副翼艙、副翼和翼稍小翼后緣。機翼后緣協調區主要涉及飛控系統、液壓系統和EWIS系統等。如圖10所示。

圖10 機翼后緣系統布置總覽

飛控系統采用電傳形式，由于后緣襟翼作動系統有多個作動器和若干根扭力管，貫穿整個機翼后緣，襟翼作動器固定在襟翼滑軌機構上，作動器之間通過扭力管相連，扭力管不能彎曲，相鄰兩根扭力管之間有夾角限制，所以應首先確定飛控系統的位置。

將襟翼作動器固定在襟翼滑軌機構上，將連接作動器的扭力管靠近機翼后梁和下蒙皮布置，將擾流板作動器布置于扭力管上方，滿足襟翼運動的實現，避免與襟翼翼面、扭力管和周圍液壓、電纜的干涉，同時也為其他設備讓出布置空間和運動空間。在外側襟翼布置空間狹小的地方，為滿足布置間隙要求，一般采用小直徑的鋼制扭力管。

液壓系統是為機翼前后緣用戶提供液壓能源的，和飛控作動器相連，液壓系統管路貫穿整個機翼后緣，由液壓附件艙進入機翼，主起三角區的液壓管路靠近機翼后梁和輔助梁布置，離開主起三角區后沿機翼中段后梁一直到副翼艙的機翼外段后梁，液壓管路布置在襟翼扭力管之上，在擾流板作動器安裝的地方，液壓管繞到擾流板作動器的后面通過。

類似于液壓系統，EWIS系統是為機翼前后緣用戶提供電能源的，主要為擾流板作動器、副翼作動器、襟翼翼尖剎車等部件提供電信號，EWIS線束通道貫穿整個機翼后緣，布置時需要考慮將電纜布置在液壓管路的上方，在與具有運動功能的作動器連接時，嚴格控制電纜的伸縮量，由于電纜是軟體，布置時主要穿插在設備和硬管周圍空余的地方，盡量和周圍結構、設備和管路保持足夠的間隙。

5 總結

在布置過程中做到以適航要求為設計基礎，充分考慮了從布置上減重減阻，從布置上實現飛機性能的最優，同時做好空間的合理需求與合理分配，以滿足飛機的總體要求。機翼布置設計是一個綜合協調、優化迭代的過程，需要多專業的協同設計，只有實現結構、系統的布置和氣動參數優化迭代才能完成最優意義上的機翼布置。同時在系統設備的布置時需仔細研究相關適航條款，以確保飛機的設計能夠順利取證并投入運營。

【參考文獻】

[1]李為吉，主編.現代飛機總體綜合設計[M].西北工業大學出版社.

[2]運輸類飛機適航標準.中國民用航空規章第25部CCAR-25-R3[S].中國民航總局，2001.5.

[3]陳閔葉，么嬈，編.飛機系統[M].國防工業出版社.

[4]肖翔，夏語冰，姜逸民，鄭占君，戴攀.超薄翼型上液壓系統布置的設計分析[J].民用飛機設計與研究，2010：No.4.

[責任編輯：王楠]