民機復合材料油箱維護口蓋研究

葛建彪 / GE Jianbiao(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

民機復合材料油箱維護口蓋研究

葛建彪 / GE Jianbiao
(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

復合材料作為一種優(yōu)良的航空材料，具有比強度高、比剛度大，材料力學性能可設(shè)計等優(yōu)點。復合材料油箱結(jié)構(gòu)因制造性和維護性要求需要開維護孔，需要安裝合適的油箱口蓋結(jié)構(gòu)。通過中央翼復合材料油箱口蓋設(shè)計并開展制造工藝研究，對民用飛機復合材料油箱口蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)支持。

復合材料；油箱口蓋；研究；民用飛機

0 引言

復合材料相比于金屬材料具有優(yōu)良的力學性能，一般情況下復合材料具有比強度高、比剛度大、制造工藝簡單以及材料的可設(shè)計性強等特點。高性能的復合材料在設(shè)計和制造上得到了很大的發(fā)展。目前大多數(shù)先進民用飛機油箱結(jié)構(gòu)均使用復合材料。本文選取民用飛機中央翼復合材料油箱結(jié)構(gòu)來進行研究分析。

飛機油箱結(jié)構(gòu)必須設(shè)置維護口蓋以提供維修通路，需在中央翼后梁結(jié)構(gòu)上布置相應的人孔為翼盒內(nèi)部提供維護和裝配通道。可拆卸的維護口蓋用于封閉人孔并密封整體油箱，構(gòu)成油箱表面的一部分，同時口蓋可以保護油箱免受所有可能遇到的沖擊、雷擊、火情等威脅。維護口蓋的布置如圖 1 所示[1]。

1 布置思路

根據(jù)CCAR25.963及相關(guān)咨詢通報的要求，維修口蓋需滿足密封、耐火及沖擊損傷要求，另外，維修口蓋還需滿足CCAR25.581條關(guān)于閃電防護的要求。另外，復材機翼油箱區(qū)維護口蓋是非承力口蓋，不參與結(jié)構(gòu)載荷傳遞，只需承受油壓載荷和特殊沖擊載荷。

與傳統(tǒng)外翼油箱口蓋不同，中央翼后梁油箱口蓋布置于飛機起落架艙內(nèi)，不可避免會受到各種不同類型的沖擊。通過在口蓋周邊布置相應的鈦合金加強板來抗沖擊外，同時需將口蓋厚度定義在滿足沖擊要求的許用范圍內(nèi)。

維修口蓋通過與中央翼后梁加強鈦板貼合，貼合面區(qū)不做表面處理和涂漆，以傳導雷擊電流和防止電火花產(chǎn)生。

維修口蓋必須滿足在2 000℉的火焰下，5 min時間內(nèi)不被破壞。飛機在使用過程中，發(fā)動機可能會由于自身原因、鳥撞、腐蝕或者其他外界因素導致發(fā)動機故障，從而引起發(fā)動機起火。對于發(fā)動機翼吊式飛機來講，飛行過程中如果發(fā)動機起火，火焰會隨著氣流向后移動，使發(fā)動機后面的油箱和口蓋處于高溫火焰區(qū)域。如果口蓋在高溫火焰的環(huán)境下密封失效，就會導致燃油泄漏。當燃油的流失達到引起火災的危險程度時，會導致油箱的爆炸，嚴重危及旅客的生命安全。因此油箱口蓋需充分考慮高溫火焰的影響。復合材料中央翼油箱口蓋設(shè)計思路如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)細節(jié)及工藝

2.1 結(jié)構(gòu)布置

口蓋結(jié)構(gòu)為板材整體機加而成，維護口蓋與油箱結(jié)構(gòu)直接通過托板螺母夾持安裝。油箱口蓋的密封采用橡膠密封圈形式，通過擠壓密封卡槽來實現(xiàn)口蓋的密封，局部區(qū)域涂油箱密封劑。因中央翼油箱在飛行工況中的變形無機翼大，壓環(huán)與口蓋結(jié)構(gòu)之間無需布置外翼口蓋的防磨酚醛墊圈，其它結(jié)構(gòu)件與外翼口蓋一致。口蓋密封及夾持方式如圖3所示。

密封圈采用傳統(tǒng)油箱密封的丁晴橡膠材料。考慮到接近復合材料結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)，所有口蓋金屬結(jié)構(gòu)材料均為鈦合金，為提高人孔周邊強度，連接橢圓形鈦合金板來補強設(shè)計，并能抵抗起落架艙區(qū)域的面外沖擊。

2.2 口蓋尺寸定義

根據(jù)人體尺寸，對于橢圓形或由2～3 段圓弧組成輪廓的維護口蓋為最適合人員進入油箱的形狀。口蓋尺寸確定主要考慮人體進入和維護需求，但同時應考慮口蓋周邊的應力集中帶來的強度和損傷容限要求，尤其需考慮口蓋補強所付出的重量代價。口蓋的短軸尺寸(弦向尺寸)對于人體尺寸更為臨界，長軸尺寸取決于空間站位間距所允許的空間。 由于進入油箱的方式不同，外翼油箱人孔尺寸一般比中央翼油箱人孔小，導致中央翼油箱開孔帶來的應力集中及材料損失更明顯。

2.3 緊固件連接

油箱需要經(jīng)常維護，油箱口蓋需要經(jīng)常拆卸，同時口蓋為非承力件，一般連接托板螺母緊固件以固定口蓋。螺栓選用鈦合金材料普通螺栓，托板螺母為常規(guī)鉚接式安裝形式。對于如圖3所示鈦合金加強板，通過高鎖螺栓與復合材料油箱壁板連接。高鎖螺栓濕安裝配合、端頭封包，以滿足靜電及密封要求。

3 電搭接設(shè)計

油箱口蓋相對于油箱結(jié)構(gòu)而言通常是半絕緣的。當口蓋遭到雷擊時，在接觸面處就會產(chǎn)生電火花，從而有可能引起爆炸。為此油箱口蓋的防雷擊設(shè)計很重要的。

復合材料油箱口蓋的防護措施與金屬口蓋類似，但需要在復合材料油箱結(jié)構(gòu)共固化一層導電編織網(wǎng)，復合材料結(jié)構(gòu)上的導電編織網(wǎng)和防靜電涂層必須搭接到主結(jié)構(gòu)或次結(jié)構(gòu)上，形成一個電氣連續(xù)的結(jié)構(gòu)。對于口蓋與碳纖維及加強鈦板等主結(jié)構(gòu)接觸的位置，應打磨接觸區(qū)打磨，碳纖維表面打磨露出導電編制網(wǎng)，形成相應的導電通路。[2-3]

4 結(jié)論

本文通過對民用飛機復合材料中央翼油箱口蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，探討了口蓋設(shè)計過程中的防撞擊，防火及閃電防護設(shè)計，布置了合理有效的復合材料油箱結(jié)構(gòu)的口蓋形式，通過未來民用飛機復合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應用，為復合材料油箱的設(shè)計制造打下了一定基礎(chǔ)，將加快民用航空產(chǎn)業(yè)復合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應用。

[1] 《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊第 10 冊: 結(jié)構(gòu)設(shè)計 [M]． 北京: 航空工業(yè)出版社，2001．

[2] 牛春勻( 美) 著．實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]． 程小全譯． 北京: 航空工業(yè)出版社，2008．

[3] 牛春勻( 美) 著．實用飛機結(jié)構(gòu)應力分析及尺寸設(shè)計[M]． 馮振宇，程小全，譯． 北京: 航空工業(yè)出版社，2009．

Research on Composite Fuel Tank Access Door for Civil Aircraft

Composite as excellent aviation material is widely used due to its high intensity, stiffness and designable performance. In order to satisfy manufacture process and maintain requirement, the composite fuel tank needs to open hole with the appropriate fuel tank access door. This paper describes design and manufacturing method of composite fuel tank access door, which could provide technical support for composite fuel tank access door of civil aircraft.

composite; fuel tank access door; research; civil aircraft

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.019

V228.1+1

A

葛建彪 男，碩士，工程師。主要研究方向：中央翼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；E-mail： gejianbiao@comac.cc