淺談民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王迪　張正禮

【摘 要】本文以民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)的功能性要求為原則，討論了尾翼前緣結(jié)構(gòu)形式選擇、尾翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)以及尾翼前緣迎風(fēng)面防護(hù)三個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為組合式前緣結(jié)構(gòu)形式在抗鳥(niǎo)撞性能和可維護(hù)性方面優(yōu)于獨(dú)立式前緣結(jié)構(gòu)形式。在尾翼前緣抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)和迎風(fēng)面風(fēng)蝕防護(hù)方面，結(jié)合對(duì)國(guó)外兩家公司民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上異同的對(duì)比分析，提出了一些建議，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；尾翼前緣；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鳥(niǎo)撞

0 前言

民用飛機(jī)尾翼分為水平安定面、升降舵、垂直安定面和方向舵。其中，水平安定面及垂直安定面的結(jié)構(gòu)通常由主承力翼盒、前緣和后緣組成，以前、后梁為界劃分。尾翼前緣結(jié)構(gòu)的主要功能是維持氣動(dòng)外形、傳遞前緣部分的氣動(dòng)載荷、抗鳥(niǎo)撞以及安裝容納系統(tǒng)設(shè)備等。因此，尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下基本要求：（1）剛度要求：需保證在氣動(dòng)力作用下結(jié)構(gòu)變形控制在一定限度內(nèi)，以維持安定面良好的氣動(dòng)特性。（2）抗鳥(niǎo)撞要求：CCAR/FAR-25適航規(guī)章對(duì)尾翼的抗鳥(niǎo)撞要求比機(jī)翼更為嚴(yán)苛，尾翼前緣需具備足夠的抗鳥(niǎo)撞性能。（3）設(shè)備維護(hù)要求：尾翼前緣內(nèi)部通常布置有液壓管路、電氣線路和通信設(shè)備等系統(tǒng)件，前緣結(jié)構(gòu)需為這些系統(tǒng)設(shè)備留出一定的可拆卸維護(hù)口蓋和相對(duì)開(kāi)敞的操作空間。（4）結(jié)構(gòu)可靠性和維修性要求：尾翼前緣的迎風(fēng)面易受風(fēng)蝕和外來(lái)物損傷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需盡量限制損傷的程度和危害，并且具備良好的結(jié)構(gòu)維修性。

本文以上述四個(gè)基本要求為原則，針對(duì)尾翼前緣結(jié)構(gòu)形式的選擇、尾翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)以及尾翼前緣迎風(fēng)面防護(hù)三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，比較和分析國(guó)外波音和空客兩家公司設(shè)計(jì)的異同，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)形式

尾翼前緣位于水平、垂直安定面前梁的前方，屬于非主承力構(gòu)件，除承受部分氣動(dòng)載荷、慣性載荷和系統(tǒng)載荷外，還應(yīng)滿足抗鳥(niǎo)撞要求。因此前緣結(jié)構(gòu)形式的選擇一方面取決于尾翼安定面整體結(jié)構(gòu)形式，另一方面需兼顧抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)和系統(tǒng)維護(hù)性等。

目前主流民用飛機(jī)的尾翼安定面結(jié)構(gòu)形式主要有“單閉室”和“雙閉室”兩種[1]。“單閉室”是指由雙梁（或多梁）、翼肋和加筋壁板組成的主承力翼盒，前緣由蒙皮和密集的肋組成，并直接與主承力翼盒相連。“雙閉室”由主承力翼盒及其前方的輔助扭力翼盒組成，輔助扭力翼盒又稱(chēng)前緣艙，其后方與主承力翼盒前梁相連，前部設(shè)置一根輔助梁（前緣梁），輔助梁前方則連接前緣蒙皮（前緣壁板）。“雙閉室”安定面中的前緣艙與前緣壁板可并稱(chēng)“組合式前緣”；與之相對(duì)應(yīng)，可將“單閉室”安定面的前緣稱(chēng)為“獨(dú)立式前緣”。

獨(dú)立式前緣結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，蒙皮分塊少，便于結(jié)構(gòu)裝配。然而，考慮到內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)性，需在蒙皮上開(kāi)設(shè)局部維護(hù)口蓋，否則一旦設(shè)備需要維護(hù)就需將可卸前緣整體拆下。

組合式前緣雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，蒙皮分塊多，但前緣艙的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)更為靈活，操作空間也更大，并且一旦有蒙皮發(fā)生損傷時(shí)不需更換整個(gè)前緣。更重要的是，前緣輔助梁在前緣壁板之后為抗鳥(niǎo)撞提供了又一道屏障，能更有效地保護(hù)主承力翼盒。

對(duì)于大型民用飛機(jī)，出于對(duì)抗鳥(niǎo)撞性能和維護(hù)性的綜合考量，組合式尾翼前緣更優(yōu)。國(guó)內(nèi)某型飛機(jī)研制過(guò)程中的垂尾前緣鳥(niǎo)撞試驗(yàn)表明，相比獨(dú)立式前緣，采用組合式前緣在保證適航條款對(duì)抗鳥(niǎo)撞要求的同時(shí)具有重量?jī)?yōu)勢(shì)[1]。波音公司的系列機(jī)型中，除早期窄體737客機(jī)外，747、757、767、777和787飛機(jī)均采用組合式尾翼前緣。

2 民用飛機(jī)尾翼前緣抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)

鳥(niǎo)撞是民航運(yùn)輸安全的重要威脅之一，目前歐洲CS 25.631適航條款對(duì)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)要求能承受1.8kg鳥(niǎo)撞擊，而中、美兩國(guó)的CCAR/FAR 25.631適航條款則更是將這一要求提高到3.6kg鳥(niǎo)撞擊[2]。因此，抗鳥(niǎo)撞性能是民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，提高抗鳥(niǎo)撞性能的核心是解決“吸能”與“散能”問(wèn)題[3]。

“吸能”是指通過(guò)選取吸能效果較好的材料，盡可能地吸收鳥(niǎo)體撞擊能量。目前主流民用飛機(jī)為中常用蜂窩夾層、泡沫夾層和GLARE層板等作為尾翼前緣吸能壁板的材料。波音757、767和777飛機(jī)平、垂尾前緣壁板采用鋁合金面板+鋁蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)，787-8飛機(jī)則采用外層鋁合金蒙皮與內(nèi)層玻璃纖維復(fù)合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層共膠接的混雜結(jié)構(gòu)前緣壁板。空客A320、A330和A340飛機(jī)平、垂尾前緣壁板采用碳纖維復(fù)合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，A380飛機(jī)平、垂尾前緣則采用了GLARE層板。相關(guān)研究表明[4]，相比單純采用鋁合金蒙皮，采用金屬面板蜂窩夾層壁板、復(fù)合材料面板蜂窩夾層壁板和GLARE層板吸能效率更高，且重量更輕。

“散能”是指通過(guò)采用一定的結(jié)構(gòu)形式使鳥(niǎo)體撞擊后直接分離，將大部分鳥(niǎo)體能量散去。Li[5]等提出一種三角形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尾翼前緣抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)。當(dāng)前緣遭受鳥(niǎo)體撞擊時(shí)，安裝在前緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的等腰三角形金屬加強(qiáng)板可起到切割鳥(niǎo)體的作用，使鳥(niǎo)體沿加強(qiáng)板兩側(cè)分離，從而避免其穿透前緣以至于破壞主盒段前梁。這種抗鳥(niǎo)撞結(jié)構(gòu)形式適用于前緣翼型曲率較大的尾翼，若翼型曲率較小則三角形頂角偏大而前端不夠“鋒利”，不能有效起到分離鳥(niǎo)體的作用。目前，這一設(shè)計(jì)思路已在國(guó)內(nèi)某型飛機(jī)的平尾前緣設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

需指出的是，“吸能”與“散能”這兩種設(shè)計(jì)思路并不沖突，如何將這兩者相結(jié)合以應(yīng)用于尾翼前緣結(jié)構(gòu)的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)人員需考慮的。

3 民用飛機(jī)尾翼前緣迎風(fēng)面防護(hù)

在民用飛機(jī)長(zhǎng)期服役過(guò)程中，尾翼前緣持續(xù)受到氣流中的塵埃、雨點(diǎn)等的吹蝕和磨蝕作用，易產(chǎn)生輕則漆層脫落、重則蒙皮表面磨損甚至穿孔，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為風(fēng)蝕損傷。國(guó)內(nèi)航空公司的波音737飛機(jī)就曾發(fā)生因垂尾前緣高頻天線一體化蒙皮風(fēng)蝕受損而導(dǎo)致AOG停場(chǎng)造成的損失[6]。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮尾翼前緣迎風(fēng)面的防風(fēng)蝕措施。

波音系列機(jī)型的尾翼前緣迎風(fēng)面蒙皮材料通常為鋁合金包鋁板，表面通過(guò)聚氨酯防侵蝕涂層或防護(hù)帶進(jìn)行保護(hù)。空客系列機(jī)型的尾翼前緣蒙皮材料多為碳纖維復(fù)合材料，易受風(fēng)蝕損傷，因此在蒙皮迎風(fēng)面的前端加裝了專(zhuān)用于防侵蝕的不銹鋼防護(hù)板。

通過(guò)防護(hù)措施可減輕前緣迎風(fēng)面風(fēng)蝕損傷的程度及其危害，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。需指出的是，風(fēng)蝕本質(zhì)上是不可避免的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮防護(hù)措施本身的維修性和可更換性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)問(wèn)題，提出以下結(jié)論和建議，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考：

（1）對(duì)于大型民用飛機(jī)尾翼結(jié)構(gòu)而言，由前緣壁板和前緣艙組成的組合式前緣相比獨(dú)立式前緣具有更好的抗鳥(niǎo)撞性能和設(shè)備維護(hù)性，為較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

（2）抗鳥(niǎo)撞性能是民用飛機(jī)尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，“吸能”和“散能”是抗鳥(niǎo)撞的主要機(jī)理，前者通過(guò)引入吸能材料吸收鳥(niǎo)撞能量，后者通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)特征分離鳥(niǎo)撞能量。如何將兩者結(jié)合應(yīng)用是設(shè)計(jì)人員需考慮的。

（3）良好的尾翼前緣迎風(fēng)面風(fēng)蝕防護(hù)可提升結(jié)構(gòu)的可靠性，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。在進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮防護(hù)措施本身的維修性和可更換性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李洪昌.民用飛機(jī)垂直安定面結(jié)構(gòu)型式分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，25：71.

[2]張柱國(guó).運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)鳥(niǎo)撞及符合性驗(yàn)證綜述[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013，6：1.

[3]宋春艷，朱廣榮.大型民機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞動(dòng)力學(xué)分析與世行驗(yàn)證技術(shù)研究[A].第十屆全國(guó)振動(dòng)理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2011：1106.

[4]劉永強(qiáng)，王向盈，唐長(zhǎng)紅，馮震宙，黃超廣.四種飛機(jī)蒙皮材料抗鳥(niǎo)撞性能對(duì)比研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2015，35（5）.

[5]Li et al.Tail Capable of Improving Anti-Bird Strike Performance of Aircraft：US，8746619B2[P].2014-06-10.

[6]張?zhí)祈灒钪兄?波音737飛機(jī)垂尾高頻天線前緣風(fēng)蝕的預(yù)防與修理[J].航空維修與工程，2016，11：101.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint