民用飛機(jī)艙門提升原理分析研究

楊小軍

摘 要：本文討論了登機(jī)門在大型商用客機(jī)設(shè)計(jì)中的重要地位，通過(guò)對(duì)目前主流大型商用客機(jī)登機(jī)門開啟方式的研究，引出提升平移外開式艙門設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，即艙門提升原理分析及確定，并使用Matlab軟件編寫程序，使艙門提升這一過(guò)程參數(shù)化及可視化，可方便的應(yīng)用于同類型艙門的設(shè)計(jì)過(guò)程中。

關(guān)鍵詞：民機(jī)；艙門；四連桿機(jī)構(gòu)；Matlab

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.242

1 引言

客艙登機(jī)門不僅是飛機(jī)中功能復(fù)雜，安全性高，適航約束多的部件，而且作為飛機(jī)中經(jīng)常使用的，功能性非常明顯，且機(jī)組人員經(jīng)常操作的部件，其設(shè)計(jì)好壞直接影響運(yùn)營(yíng)人和旅客對(duì)于飛機(jī)的評(píng)價(jià)，影響飛機(jī)的商業(yè)前景。因此登機(jī)門設(shè)計(jì)的成功不僅有利于飛機(jī)的適航取證，對(duì)飛機(jī)的商業(yè)成功也至關(guān)重要。

目前主流大型商用客機(jī)的登機(jī)門普遍采用提升平移外開的打開方式，提升過(guò)程的分析及確定對(duì)于艙門設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文利用四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于登機(jī)門提升過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并編制Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了提升過(guò)程的參數(shù)化及可視化。

2 主流登機(jī)門開啟方式

在民用航空發(fā)展的歷程中，登機(jī)門的設(shè)計(jì)幾經(jīng)更迭。目前，主流大型商用客機(jī)的登機(jī)門主要有以下三種開啟的運(yùn)動(dòng)形式。

第一為波音B737飛機(jī)登機(jī)門采用的內(nèi)收扭轉(zhuǎn)開啟方式，艙門初始運(yùn)動(dòng)為向內(nèi)并扭轉(zhuǎn)一定角度，之后向外翻轉(zhuǎn)打開約180°。

第二是空客A320飛機(jī)登機(jī)門采用的提升平移外開方式，即艙門初始運(yùn)動(dòng)向上提升，然后向航向前方平移打開。

第三是在波音B767飛機(jī)上采用的登機(jī)門開啟方式，艙門向上劃入客艙天花板，留出凈開口空間。

以上三種類型的艙門，因其裝備的波音和空客各型商用飛機(jī)的成功，均在其服役期間被證明是滿足適航和客戶雙向需求的優(yōu)異設(shè)計(jì)。航空工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)著適航條款的不斷完善，同時(shí)，不斷修訂的適航條款與市場(chǎng)的需求又推動(dòng)著航空工業(yè)創(chuàng)新不止。曾經(jīng)被波音B737和B767采用的登機(jī)門開啟形式均已淪為少數(shù)。目前，空客家族飛機(jī)上普遍采用的提升平移外開式的艙門被證明是最先進(jìn)和最為市場(chǎng)認(rèn)可的設(shè)計(jì)。

3 艙門提升原理

（1）艙門提升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介。典型的提升平移外開式艙門的提升機(jī)構(gòu)如下圖 1所示。鉸鏈臂一側(cè)與機(jī)身結(jié)構(gòu)相連，一側(cè)通過(guò)上下提升臂與門結(jié)構(gòu)連接。

提升是艙門運(yùn)動(dòng)的第一步，提升是為了讓安裝在艙門上的止動(dòng)塊與門框上的止動(dòng)塊互相錯(cuò)開，后續(xù)艙門才能從門框被平移推開，讓出凈開口空間。

為防止艙門提升時(shí)與機(jī)身結(jié)構(gòu)干涉，沿艙門外形曲線提升的方案為滿足功能需求的最佳設(shè)計(jì)。

（2）提升過(guò)程參數(shù)化。圖 1所示的登機(jī)艙門提升機(jī)構(gòu)，可簡(jiǎn)化為下圖 2。

其中：

鉸鏈臂在艙門提升過(guò)程中相對(duì)于提升方向無(wú)位移，因此ABCD組成的四連桿機(jī)構(gòu)，在AB或CD上施加繞其與鉸鏈臂連接點(diǎn)處順時(shí)針的驅(qū)動(dòng)力矩均可實(shí)現(xiàn)EF的提升運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，曲線提升轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)的參數(shù)，即艙門蒙皮上的n個(gè)點(diǎn)，P1，P2…Pi…Pn，在提升的每一步，這n個(gè)點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一個(gè)新的位置，P1，P2…Pi…Pn，新的點(diǎn)位，到機(jī)身理論外形之間的距離分別為：d1，d2…di…dn。最理想的提升曲線必須保證d1，d2…di…dn均為正值，且其方差最小。

（3）優(yōu)化目標(biāo)。應(yīng)用四連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算方法對(duì)提升運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解。圖 3所示為一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)，其中，A，B，C和D點(diǎn)均為可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接連接，BCE固連在一起。

定義：

如圖 3所示，若已知輸入桿的長(zhǎng)度|AB|，輸出桿的長(zhǎng)度|CD|，連接桿的長(zhǎng)度|BC|和初始角度ρ，則連接桿BC上的任一點(diǎn)E的軌跡可計(jì)算得出。為圖 3所示的四連桿機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系，并設(shè)定：

上述公式5-9中的t用來(lái)定義桿AB的輸入角度，結(jié)合桿長(zhǎng)度|AB|，|BC|，|CD|和|DA|作為設(shè)計(jì)參數(shù)已知，則在某一時(shí)間t，上述9個(gè)公式對(duì)應(yīng)的9個(gè)未知數(shù)均可得出唯一解。

4 Matlab計(jì)算模型

利用以上理論，建立Matlab模型仿真艙門提升過(guò)程。模型建立過(guò)程如下：

第一步，在幾何模型上采點(diǎn)。艙門結(jié)構(gòu)離散為密集的采樣點(diǎn)。

第二步，將第一步采樣的離散點(diǎn)坐標(biāo)全部導(dǎo)入Matlab，轉(zhuǎn)化為二維的矩陣。針對(duì)AB的每一個(gè)角度，可按照?qǐng)D 3所示的計(jì)算模型和公式5-1至5-9計(jì)算出輸出桿BC的角度，進(jìn)而在三角形△BCE中運(yùn)用簡(jiǎn)單三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出來(lái)點(diǎn)E的新位置。

第三步，針對(duì)輸入桿AB的每一步運(yùn)動(dòng)，將第二部的計(jì)算過(guò)程在每個(gè)艙門結(jié)構(gòu)的離散點(diǎn)上進(jìn)行復(fù)制，即得到所有離散點(diǎn)的一個(gè)新位置，所有在新位置的離散點(diǎn)的坐標(biāo)代表了艙門結(jié)構(gòu)提升后的新位置。

第四步，針對(duì)提升運(yùn)動(dòng)的每一步，計(jì)算艙門蒙皮上的離散點(diǎn)距離機(jī)身結(jié)構(gòu)的距離。

第五步，提升結(jié)束后，計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間Tn的所有采樣點(diǎn)到機(jī)身蒙皮之間的距離的方差。

5 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

針對(duì)圖 2所示提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)編制了Matlab計(jì)算程序，并且整個(gè)提升過(guò)程可以在Matlab中進(jìn)行可視化仿真，如圖 4所示。

利用Matlab程序可方便進(jìn)行輸入?yún)?shù)的更改，并應(yīng)用于其他具有類似提升機(jī)構(gòu)的艙門，用來(lái)驗(yàn)證提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。