飛機(jī)EWIS設(shè)計減重措施研究

摘要：隨著飛機(jī)航空電子系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，機(jī)載設(shè)備間信號交聯(lián)關(guān)系越發(fā)復(fù)雜，導(dǎo)致飛機(jī)電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）重量也在不斷增加，EWIS設(shè)計減重需求越來越迫切，因此在EWIS設(shè)計過程中進(jìn)行減重優(yōu)化，對于飛機(jī)整機(jī)重量設(shè)計指標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。EWIS的重量主要由線束重量和敷設(shè)安裝組件重量兩部分構(gòu)成，本文根據(jù)EWIS的主要重量組成，結(jié)合EWIS設(shè)計流程，針對三維敷設(shè)初步設(shè)計、線束綜合設(shè)計、三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計及線束圖設(shè)計階段的特點，開展減重具體措施的研究。

關(guān)鍵詞：EWIS；減重措施；線束敷設(shè)；線束設(shè)計

目前EWIS減重已經(jīng)成為國內(nèi)外飛機(jī)設(shè)計制造過程中重要且必要的一環(huán)，國外EWIS的設(shè)計減重和重量管控流程都已經(jīng)比較成熟，但由于國內(nèi)EWIS設(shè)計還處在完善發(fā)展階段，EWIS設(shè)計減重措施還未能完全融入EWIS設(shè)計流程體系中，因此針對EWIS設(shè)計的各個階段進(jìn)行減重措施研究，對飛機(jī)研制具有重要意義。

EWIS的定義是指任何導(dǎo)線、線路裝置，或其組合，包括端點裝置，安裝于飛機(jī)的任何部位，用于兩個或多個端點之間傳輸電能（包括數(shù)據(jù)和信號）[1]。所以一般飛機(jī)上的EWIS重量主要由線束重量和敷設(shè)安裝組件重量兩部分構(gòu)成。

線束重量主要由導(dǎo)線、連接器、尾附件、防波套、接線端子、壓接或焊接套管等端接器件以及各類電纜保護(hù)材料和標(biāo)識等組成。

線束敷設(shè)安裝組件重量主要由固定或安裝線束用的支架、卡箍、連接器分離面板、導(dǎo)管和螺釘、螺母、墊圈等緊固件，以及接地或搭接用的負(fù)線板、搭接器件等組成。

飛機(jī)EWIS設(shè)計流程一般分為三維敷設(shè)初步設(shè)計、線束綜合設(shè)計、三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計及線束圖設(shè)計階段4個階段，根據(jù)EWIS各個設(shè)計階段的特點和EWIS的重量組成，需要在不同設(shè)計階段采取針對性的措施實現(xiàn)對線束重量和敷設(shè)安裝組件重量的減重。

2.1 三維敷設(shè)初步設(shè)計階段的減重措施

EWIS三維敷設(shè)初步設(shè)計階段一般確定了全機(jī)線束敷設(shè)的通道布置，規(guī)定了線束的大致走向，因此三維敷設(shè)初步設(shè)計階段的減重措施主要從通道設(shè)計、設(shè)備布局等方面盡可能減少線束長度實現(xiàn)。

2.1.1 通道設(shè)計

線束敷設(shè)通道的設(shè)計應(yīng)結(jié)合機(jī)體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分布進(jìn)行，選擇整體與各設(shè)備距離較近、走向較為平直、易于維護(hù)的通路作為線束主干通道，盡量避免彎曲、繞離設(shè)備的通道設(shè)計，保證線束整體均勻分布到全機(jī)，使各個設(shè)備接入主干通道的距離相對較近，在整體布局上減少線束長度及敷設(shè)安裝固定點，從而達(dá)到減重的目的。

2.1.2 設(shè)備布局

飛機(jī)的總體設(shè)備布局對EWIS重量有極大影響，因為機(jī)上的信號傳遞往往存在中轉(zhuǎn)匯合，往往一個設(shè)備位置不合理，就會導(dǎo)致其他設(shè)備接往該設(shè)備的線束長度以及敷設(shè)安裝組件大幅增加。如線束需從A設(shè)備、B設(shè)備傳往C設(shè)備，如C設(shè)備距離A、B設(shè)備均較遠(yuǎn)，將導(dǎo)致線束長度增加，如將C設(shè)備調(diào)整至距離A、B設(shè)備比較均衡的中間位置，則會大幅減少線束長度（如圖1所示）。因此在三維敷設(shè)初步設(shè)計階段，需要優(yōu)化調(diào)整設(shè)備在機(jī)上的分布位置，避免線束因為設(shè)備布局產(chǎn)生回繞、繞遠(yuǎn)等問題。

2.2 線束綜合階段的減重措施

線束綜合是將飛機(jī)各系統(tǒng)的信號進(jìn)行綜合分析，根據(jù)全機(jī)線束敷設(shè)的通道布置，結(jié)合余度、功能、隔離等設(shè)計要求，將不同信號進(jìn)行分類組合成線束。因此在線束綜合階段，主要有以下3個方面的減重優(yōu)化措施。

2.2.1 提高線束綜合程度

在滿足系統(tǒng)功能、電磁兼容、余度等要求的前提下，盡可能地提高線束綜合程度。線束綜合程度越高，線束的數(shù)量越少，越有利于線束的制造、構(gòu)型管理及安裝敷設(shè)[2]。線束數(shù)量越少，線束所使用的護(hù)套等材料也越少，也能夠有效減少線束重量。

2.2.2 路徑規(guī)劃

在線束綜合階段，能夠結(jié)合各系統(tǒng)電氣原理和敷設(shè)通道規(guī)劃線束路徑。由于機(jī)上的敷設(shè)通道眾多，設(shè)備之間往往存在多條通道可以互聯(lián)，在設(shè)計時應(yīng)選擇最短的敷設(shè)路徑。一般可以根據(jù)三維敷設(shè)初步設(shè)計階段的線束通道，使用路徑自動規(guī)劃的軟件，或通過一些路徑最優(yōu)規(guī)劃的算法編程計算，通過結(jié)合設(shè)計人員的工程經(jīng)驗，在線束綜合過程中發(fā)現(xiàn)線束通道存在的問題，并對三維敷設(shè)初步設(shè)計階段的通道和設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化迭代，最終獲得最優(yōu)的設(shè)備布局和最短的線束路徑。

2.2.3 減少工藝對接連接器

由于飛機(jī)模塊化制造和維修的需求，飛機(jī)各艙區(qū)之間的線束一般需要設(shè)置工藝對接連接器以便于飛機(jī)總裝對接和拆卸維修。在滿足系統(tǒng)功能和飛機(jī)維護(hù)需求的前提下，線束綜合時應(yīng)盡量減少全機(jī)的工藝對接連接器數(shù)量，同時也能減少工藝分離面板的數(shù)量，另外還應(yīng)合理布置工藝分連接器的空間位置，減少艙區(qū)間線束對接的距離。

2.3 三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計階段的減重措施

EWIS三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計是根據(jù)三維敷設(shè)初步設(shè)計階段確定的飛機(jī)線束通道和線束綜合階段確定的全機(jī)線束，完成線束在機(jī)上具體敷設(shè)和安裝的設(shè)計過程。因此在該階段主要從以下4個方面針對敷設(shè)安裝組件重量采取減重措施。

2.3.1 安裝組件的設(shè)計減重

飛機(jī)不同區(qū)域的環(huán)境特性不同，對線束安裝的要求也不同，應(yīng)根據(jù)區(qū)域的振動、濕度、溫度、油污、電磁等不同環(huán)境特性進(jìn)行差異化設(shè)計，避免出現(xiàn)冗余設(shè)計。例如一般對于振動較大的區(qū)域，需要選擇強(qiáng)度較高、材料較厚的支架和卡箍，線束的固定間距要求也較小，而在一些振動較小的區(qū)域，可以選擇更輕量化的支架和卡箍，線束的固定間距也可以適量增大。在滿足區(qū)域環(huán)境特性要求的情況下，應(yīng)合理選擇線束安裝零件和固定間距，盡量多選用復(fù)合材料或其他非金屬的安裝件，減少使用金屬材料的零件。

另外對于自制的線束安裝組件如支架、分離面板等，應(yīng)在滿足強(qiáng)度要求下進(jìn)行減重設(shè)計，如通過改進(jìn)支架形狀去除冗余部分，增加減輕孔，減少材料厚度等措施，可以減少EWIS敷設(shè)安裝組件重量。

2.3.2 局部設(shè)計減重

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)備具體的安裝位置，合理選擇支架、卡箍以及連接器尾附件。如因線束出線方向和彎曲半徑要求，一些設(shè)備的連接器選用直式尾附件時，將導(dǎo)致線束變長，而使用彎式尾附件時，線束不僅能夠平直敷設(shè)長度變短，而且還能減少用于固定的卡箍和支架的安裝（如圖2所示）。

為適應(yīng)一些敷設(shè)安裝較為特殊的位置，應(yīng)自制支架或卡箍零件，避免使用較大的標(biāo)準(zhǔn)件支架或添加襯套以固定卡箍的情況。

2.3.3 EWIS敷設(shè)安裝結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

EWIS三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計時協(xié)調(diào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)在設(shè)計時預(yù)留線束安裝接口，實現(xiàn)一體化設(shè)計，可以大幅減少線束安裝所需的支架、分離面板等。如在艙區(qū)對接的飛機(jī)結(jié)構(gòu)上預(yù)留工藝連接器、維護(hù)連接器的固定開孔等，一方面可以避免另外單獨設(shè)計分離面板、維護(hù)面板，另一方面也可減少面板安裝所需的安裝組件。在機(jī)體結(jié)構(gòu)上預(yù)留安裝孔便于卡箍固定，可以大幅減少線束型材支架的使用。

2.4 線束圖設(shè)計階段的減重措施

EWIS線束圖設(shè)計是根據(jù)線束綜合階段確定的全機(jī)線束和三維敷設(shè)詳細(xì)設(shè)計階段確定的線束三維拓?fù)洌瓿删€束二維圖的詳細(xì)設(shè)計，作為線束生產(chǎn)制造的依據(jù)。該階段主要從線束零組件選型和保護(hù)材料方面減少線束重量。

2.4.1 線束零組件選型

應(yīng)根據(jù)飛機(jī)不同區(qū)域的環(huán)境特性和各系統(tǒng)的功能需求選擇不同規(guī)格或材料的導(dǎo)線、接地端子、連接器、尾附件和屏蔽層等線束零組件。如在滿足導(dǎo)電性能和機(jī)械性能的要求下，可以選擇更小規(guī)格的導(dǎo)線、接地端子等。在滿足屏蔽要求的情況下，選擇更為輕質(zhì)的屏蔽編制套，對于電磁干擾較少的區(qū)域或安全性要求較低的系統(tǒng)，可以減少甚至取消使用線束金屬屏蔽層。對于非高振、高溫區(qū)和安全性要求較低的系統(tǒng)，可使用鋁導(dǎo)線代替銅導(dǎo)線，根據(jù)有關(guān)研究表明，相同長度且滿足相同功能要求的前提下，鋁導(dǎo)線的重量比銅導(dǎo)線的重量減輕25%以上[3]。在低振、氣密區(qū)采用復(fù)合材料單臂綁扎型尾線夾[4]。非飛機(jī)特殊環(huán)境或系統(tǒng)使用要求，尤其應(yīng)避免鋼制連接器、尾附件的使用。

2.4.2 線束保護(hù)材料減重

根據(jù)飛機(jī)不同區(qū)域的環(huán)境特性合理選擇線束保護(hù)材料，如在機(jī)身內(nèi)部等非暴露區(qū)域的線束，應(yīng)盡量減少使用波紋管、熱縮管等保護(hù)材料，可選擇更為輕質(zhì)的芳綸編制套進(jìn)行保護(hù)。

隨著飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)機(jī)電一體化、集成化和信息化程度日益增高，EWIS占據(jù)了飛機(jī)很大比例的重量，因此應(yīng)當(dāng)推動EWIS設(shè)計減重措施成為EWIS設(shè)計體系的一部分，不斷完善發(fā)展EWIS設(shè)計減重的技術(shù)方法和設(shè)計流程。本文針對EWIS設(shè)計各個階段提出了相應(yīng)的減重措施以實現(xiàn)EWIS重量的最優(yōu)化設(shè)計，對飛機(jī)重量控制具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] F A A.C F R P a r t 2 5 Airworthiness standards： Transport category airplanes[S].FAA，2008.

[2] 呂明，劉巖東.民用飛機(jī)線束綜合設(shè)計方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2017，1（5）：50-53.

[3] 劉洋，劉巖東.民用飛機(jī)鋁導(dǎo)線應(yīng)用研究[C].中國航空學(xué)會飛機(jī)總體分會第二屆電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）行業(yè)技術(shù)論壇論文，2019：85-88.

[4]董文倩，李妍.民用飛機(jī)EWIS重量分析以及優(yōu)化簡介[J].航天與航空，2017（4）：11.

（作者簡介：王樂倪，寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司助理工程師，主要研究方向為飛機(jī)EWIS設(shè)計）