民用飛機復合材料機翼檢修口蓋設計

魏士禮

摘 要：民用飛機復合材料機翼主盒段結構內部空間作為整體油箱，下壁板通常開設若干口蓋。機翼上的口蓋除保證維修檢查時具有可達性外，還需要滿足剛度、油箱密封、防火、防沖擊損傷、閃電防護等要求。同時，檢修口蓋在飛機的整個生命周期內需重復拆裝，因此確保檢修口蓋的緊固件允許重復拆裝且口蓋本身具有防錯設計。該文從設計原則、結構構型、材料選擇、密封等方面介紹復合材料機翼口蓋的設計。

關鍵詞：復合材料 機翼整體油箱 檢修口蓋 結構設計 閃電防護

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0010-05

Abstract：The interior space of main structure of commercial aircraft composite wing is often used as the integral fuel tank， access covers are designed on the lower composite panel. The access door on wings have to be ensured the accessibility of maintenance inspection， and moreover， need to meet the requirements of stiffness， fuel tank seal， fire prevention， impact damage and lightning protection. Meanwhile， the access doors need to be removed and reinstalled repeatedly throughout the aircrafts life， it is therefore recommended to ensure that fasteners used for the access doors allow for repeated removal and installation， and the access doors need error proofing design. This paper introduces the design of access door in terms of design principle， structural configuration， material selection， sealing and lightning protection.

Key Words：Composite； Wing Integral fuel tank； Access door； Structure design； Lightning protection

隨著復合材料在民用飛機主結構中的應用，波音787和空客A350XWB機翼都采用復合材料整體壁板結構[1]。民用飛機普遍利用機翼主盒段內部空間作為整體油箱，可增大飛機燃油貯量、增加續航時間、改善飛行性能。這是提高飛機結構效率、改善氣動彈性、飛行品質、控制特性的重要技術途徑之一[2]。

檢修口為翼盒內部維護和裝配提供通道，可拆卸的檢修口蓋用于封閉檢修口并密封整體油箱，構成機翼壁板氣動外形的一部分。機翼檢修口蓋在設計時應滿足防沖擊損傷、防雷擊、防火等要求，以避免因口蓋失效導致的機翼整體油箱泄漏[3]。由于復材零件的加工特性，機翼復材壁板檢修口蓋的設計也與傳統金屬機翼有所不同。該文通過設計原則、結構構型、材料選擇、密封、閃電防護等方面介紹復合材料機翼口蓋的設計。

1 機翼檢修口布局

1.1 檢修口位置及布局

對國外采用復合材料機翼的客機波音B787[4-6]和空客A350XWB[7]，以及軍用運輸機A400M[8]復合材料機翼進行研究分析，通常在機翼下壁板開設檢修口蓋。檢修口應布置在對強度影響較小的部位，盡量不破壞主承力結構，保持總體受力系統的完整性[9]。將檢修口位置布置在下壁板沿一條長桁軸線可以最少切斷長桁，降低對下壁板受力影響。

為滿足翼盒內部可達性要求，檢修口中心線應盡量靠近機翼弦向中間位置。沿機翼展向，除結構限制無法布置檢修口之外兩肋間都應布置一個檢修口[9]。圖1為典型機翼下壁板檢修口布置圖。

圖1中的檢修口采用橢圓形，檢修口長軸位于中心長桁的軸線上，距離前后梁距離基本相等。機翼高度沿翼展逐步縮小，可達性要求逐步變化，檢修口從機翼根部到梢部也逐漸減小。

1.2 檢修口形狀尺寸

檢修口形狀應盡量減小應力集中，常用的檢修口形狀包括橢圓形、圓角矩形和圓形[9]。為了滿足維護和裝配可達性要求，需人員進入翼盒內部的區域，應采用全尺寸開口。只需要部分人體進入的結構可采用更小的檢修口。但條件允許時應盡量選擇大的開口尺寸以獲得更好的通過性。機翼下壁板常用檢修口尺寸如表1[10]。

2 檢修口蓋設計

2.1 口蓋設計原則

檢修口蓋是整體油箱密封、裝配和維修的通道，也是機翼整體結構的一部分。為符合適航要求和功能要求，檢修口蓋應滿足以下技術要求[11]。

（1）可拆卸，滿足裝配和維修要求。

（2）滿足油箱密封要求。

（3）下壁板氣動外形光順要求。

（4）離散源沖擊損傷防護要求。

（5）閃電防護要求。

（6）防火要求等。

2.2 檢修口蓋類型

常用的機翼檢修口蓋有兩種構型，螺接口蓋和夾持口蓋，如圖2所示[12]。

螺接口蓋為承力型口蓋。螺釘從外側穿過口蓋，連接到固定在蒙皮上的螺母。螺接口蓋與機翼蒙皮的電搭接充分，可降低油箱內產生電弧或電火花的風險，且其參與受力可降低結構重量。螺接口蓋拆卸困難，蒙皮上的螺釘孔易產生裂紋，影響蒙皮疲勞壽命。螺接口蓋適用于蒙皮厚度較薄無法采用夾持型口蓋的區域。

夾持口蓋為非承載口蓋，由內、外口蓋組成，通過螺栓將內、外口蓋夾持在蒙皮上。夾持口蓋需考慮與蒙皮之間的閃電防護問題。夾持口蓋便于拆卸，有利于提高飛機的維修性能和油箱的密封性。當外翼彎曲變形時，夾持口蓋不參與外翼的總體載荷傳遞，適用于疲勞敏感區域，但口蓋本身承受油壓載荷。機翼油箱口蓋應盡量采用夾持型口蓋。

2.3 檢修口蓋密封設計

檢修口蓋是可拆卸的組合件，其密封不同于固定結構的密封?？谏w密封不是靠密封劑和結構的粘合，而是靠密封材料的彈性壓縮。口蓋的密封形式一般有兩種，溝槽密封和膠墊密封[9]。

溝槽密封是在口蓋或蒙皮上機加出溝槽，溝槽內安裝密封件。膠墊密封是在口蓋和蒙皮夾彈性密封膠墊。表2為溝槽密封和膠墊密封對比。

復材翼盒夾持口蓋一般采用溝槽密封。溝槽布置在口蓋上，避免在蒙皮上加工溝槽，降低復材蒙皮損傷可能性。

2.4 夾持型口蓋材料選擇

隨著復合材料在飛機結構上的應用，復合材料也常被用于制造檢修口蓋[13]。口蓋按材料分為金屬口蓋和復合材料口蓋。表3為口蓋常用材料。

鋁合金口蓋接觸復材蒙皮的電化腐蝕問題嚴重，對鋁合金口蓋的防電化腐蝕處理與閃電防護要求相違背。因此，復合材料機翼的口蓋優先選擇復合材料和鈦合金。

2.5 夾持型口蓋構型設計

夾持型口蓋分為壓蓋式和壓環式。圖3為壓蓋式和壓環式口蓋圖。

壓蓋式口蓋由內、外口蓋組成。內口蓋在翼盒內部，承受油壓載荷?？刹捎眉咏顚訅喊濉⒎涓C/泡沫夾層、短切纖維熱塑等構型。外口蓋在翼盒外側，通過螺栓與內口蓋形成夾持，主要承受氣動載荷。離散源損傷影響區域的外口蓋可以使用金屬材料，防止沖擊損壞口蓋結構。其他區域的外口蓋可考慮復合材料層壓板構型。

壓環式口蓋由口蓋和壓環組成，可以有效降低口蓋結構重量。口蓋與壓蓋式內口蓋構型相同，壓環與口蓋通過螺栓夾持。壓環一般采用鋁合金或鈦合金。壓環式口蓋的抗沖擊性能限制，可布置在非離散源損傷影響區域，以降低口蓋重量。

2.6 口蓋與壁板界面設計

檢修口蓋與機翼下壁板相互連接，壁板厚度和檢修口開口形式影響檢修口蓋的設計。表4為常用復材壁板與口蓋的界面設計。

三種壁板開口形式應綜合考慮制造難度、成本、纖維分層，結構重量，采用試驗驗證的方法進行選擇。

2.7 夾持型口蓋閃電防護設計

碳纖維復合材料的導電性遠低于鋁合金，雷擊可能會損傷碳纖維復合材料壁板。因此，必須采取有效的防護措施并提供導電通路，以保證飛機的飛行安全[14]。

檢修口蓋設計應考慮與壁板的閃電防護要求。螺接口蓋可通過螺栓實現與壁板的電通路[15]。夾持口蓋無螺栓通過壁板，口蓋與壁板間的閃電防護需重新設計。如圖4是一種夾持口蓋的閃電防護設計。使用金屬外口蓋，與蒙皮貼合面需設計銅網且延伸一定距離，保證外口蓋與蒙皮之間的電通路。如采用復合材料外口蓋設計，可在外口蓋的外側增加金屬網，使其與壁板之間形成有效的電通路。

2.8 口蓋防火設計

根據FAA復合材料機翼防火要求：必須證明機翼和油箱設計能夠耐受外部燃油聚集性燃燒至少5 min[16]。為滿足此要求，外口蓋可采用鈦合金，內口蓋可采用耐高溫復合材料口蓋的構型。結構符合性需通過部件級試驗加以驗證其防火性。

3 結語

隨著材料技術的發展，復合材料大范圍應用于飛機主結構中。由此帶來的檢修口蓋材料也由傳統的鋁合金結構轉變為復合材料結構。該文通過研究國外現役機型，介紹復合材料機翼檢修口蓋設計。檢修口蓋設計應綜合考慮機翼復合材料壁板檢修口的制造性和開口補強方案；同時，檢修口蓋在飛機的整個生命周期內需重復拆裝，因此，確保檢修口蓋的緊固件允許重復拆裝且口蓋本身具有防錯設計。為了保證檢修口蓋的設計滿足結構和功能要求以及符合適航要求，需通過試驗驗證口蓋的密封性，防火性，閃電防護性能等。

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