民用飛機(jī)后機(jī)身與垂尾連接結(jié)構(gòu)研究

孫潔瓊 張寶柱 尤宏良 ∕

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程研發(fā)中心，沈陽110000)

民用飛機(jī)后機(jī)身與垂尾連接結(jié)構(gòu)研究

孫潔瓊 張寶柱 尤宏良 ∕

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程研發(fā)中心，沈陽110000)

民用飛機(jī)后機(jī)身與垂尾的連接，擔(dān)負(fù)著將垂尾的載荷傳遞到機(jī)身上的重任，是民用飛機(jī)設(shè)計中的一個關(guān)鍵連接。該連接方案的選擇，需要綜合考慮傳力路徑、工藝性、損傷容限、維修性、重量、成本等多方面因素。對成熟機(jī)型和在研機(jī)型的對接方案進(jìn)行了分析，總結(jié)出了三種主要連接方案，通過對比給出了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，能夠?yàn)槲覈裼蔑w機(jī)后機(jī)身與垂尾的連接設(shè)計提供參考和借鑒。

民用飛機(jī)；后機(jī)身；垂尾；連接；接頭

0 引言

飛機(jī)尾翼的功用是產(chǎn)生和改變升力來保證飛機(jī)飛行縱橫向的穩(wěn)定性、操縱性和平衡[1]，通常包括垂直尾翼和水平尾翼兩部分。垂直尾翼主要由垂直安定面和方向舵組成，是飛機(jī)的重要組成部分。民用飛機(jī)的垂直尾翼(簡稱垂尾，本文代指垂直安定面)，普遍安裝在后機(jī)身段上部，垂尾前、后梁(含多梁或長桁)的根部通過永久性連接或接頭與后機(jī)身段隔框進(jìn)行連接[2]，如圖1所示。

后機(jī)身與垂直尾翼的連接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要連接部位之一。本文對現(xiàn)役以及在研的民用飛機(jī)后機(jī)身與垂尾的典型連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了權(quán)衡分析，綜合比較了結(jié)構(gòu)的設(shè)計協(xié)調(diào)性、承載能力、工藝性、維修性、耐久性和損傷容限特性、重量及成本等特性，并進(jìn)行總結(jié)，能夠?qū)鴥?nèi)民用飛機(jī)的研制提供支持和借鑒。

1 載荷分析

垂尾結(jié)構(gòu)承受表面氣動載荷、慣性載荷、方向舵懸掛支臂傳來的集中載荷，T尾構(gòu)型還需要承受平尾接頭傳來的集中載荷。這些作用在垂尾上的載荷最終都要傳遞到后機(jī)身上去。

永久性連接方案，采用斜框以適應(yīng)垂尾翼梁插入后機(jī)身，即可將垂直安定面上的載荷直接傳到機(jī)身結(jié)構(gòu)上，避免了因結(jié)構(gòu)連接引起的疲勞問題[2]。

接頭連接方案，將簡化為Fx、Fy、Fz三個方向的集中力，以及Mx、My、Mz三個方向的力矩通過垂尾連接接頭傳遞到后機(jī)身上去。垂尾載荷通過垂尾壁板、梁及接頭結(jié)構(gòu)傳遞到與后機(jī)身連接的接頭上，可分為垂直集中載荷和水平集中載荷，水平集中載荷又可分為航向載荷和側(cè)向載荷，如圖2所示。這些載荷最終通過機(jī)身接頭傳遞到機(jī)身的加強(qiáng)框及縱向加強(qiáng)件上。

2 典型民機(jī)后機(jī)身與垂尾連接設(shè)計

通過對民用飛機(jī)現(xiàn)役機(jī)型以及在研機(jī)型進(jìn)行分析，能夠發(fā)現(xiàn)后機(jī)身與垂尾連接結(jié)構(gòu)主要分為斜框連接(永久性連接)、耳片接頭連接以及平面接頭對接三種形式，在耳片接頭連接形式中，又可分為順航向耳片接頭連接和垂直航向耳片接頭連接兩種形式。

在各種接頭連接構(gòu)型中，后機(jī)身與垂尾的連接可設(shè)計為四點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)連接甚至更多。對接點(diǎn)數(shù)應(yīng)綜合考慮垂尾安定面、機(jī)身的受力及機(jī)身內(nèi)部布置的具體情況[1]，同時兼顧使用壽命及損傷容限要求等多方面因素，本文不作探討。

2.1 斜框連接

斜框連接形式比較簡單，即將后機(jī)身的機(jī)身框布置為斜框，分別與垂尾前后梁對應(yīng)。通過接頭連接垂尾與機(jī)身框或翼梁直接插入機(jī)身內(nèi)，與機(jī)身加強(qiáng)框連接為一體，代表機(jī)型為CRJ700/900和Q400，如圖3、圖4所示。斜框方案中垂尾前后梁間的其他機(jī)身框也需要相應(yīng)布置成斜框，以滿足后機(jī)身的整體布置要求。梁與框共面的連接形式，能夠保證垂尾載荷從前、后梁直接傳到機(jī)身框，傳力直接且連續(xù)。斜框連接通常為永久式連接結(jié)構(gòu)，后機(jī)身與垂尾間無分離面，垂尾梁與機(jī)身框先連接為一個整體，再進(jìn)行裝配。

斜框連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：機(jī)身框的布置方向與垂尾梁方向一致，傳力路線最短；裝配工藝較為簡單，結(jié)構(gòu)重量輕；但斜框布置影響后機(jī)身內(nèi)總體布局；垂尾無法拆卸，檢查和維修性較差；翼身連接處無需整流。

2.2 耳片接頭連接

2.2.1 順航向耳片接頭連接

連接結(jié)構(gòu)由連接接頭、側(cè)桿組成。垂尾根部的航向載荷和側(cè)向載荷都通過接頭傳遞到機(jī)身。由于主傳力接頭耳片順航向布置，故稱順航向耳片接頭，傳遞飛機(jī)航向載荷。代表機(jī)型有空客A320、A330、A340、A380龐巴迪C系列飛機(jī)等。

A320飛機(jī)采用整體機(jī)加耳片接頭來傳遞航向與側(cè)向載荷。垂尾前、中、后梁兩側(cè)各對應(yīng)兩個接頭，為6點(diǎn)連接形式，如圖5所示。整體接頭受力較復(fù)雜，接頭的順航向耳片傳遞垂尾根部的航向載荷；左右接頭相對的一側(cè)設(shè)計側(cè)耳片用于連接側(cè)桿，傳遞垂尾根部的側(cè)向載荷。接頭通過高鎖螺栓連接到后機(jī)身加強(qiáng)框的緣條和腹板上，與垂尾壁板耳片、側(cè)桿則通過破損安全銷連接。

C系列飛機(jī)也屬于順航向耳片連接，不同之處在于垂尾前后梁位置兩主接頭中間各增加一個附加接頭。接頭上部通過側(cè)連桿與垂尾前、后梁處的接頭連接，下部與機(jī)身加強(qiáng)框腹板和緣條直接相連，如圖6所示。附加接頭能夠?qū)⒋刮矀?cè)向載荷直接傳遞給機(jī)身框，傳力路線簡單清晰；與整體接頭相比，改善了單個接頭受力；提高了結(jié)構(gòu)的損傷容限能力，降低了制造難度。

相比A320，空客公司對A340連接方案進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的連接結(jié)構(gòu)與C系列類似，側(cè)向載荷不再由順航向接頭傳遞，而是增加了用來承受側(cè)向力的附加接頭。由于載荷較大，耳片接頭不再與機(jī)身框相連，而是連接到框間，類似于接頭與加強(qiáng)梁的整體結(jié)構(gòu)來傳遞順航向載荷。A340垂尾采用三梁結(jié)構(gòu)，因此在前、中、后梁布置了三個附加接頭。

順航向耳片接頭方案的特點(diǎn)為：接頭結(jié)構(gòu)受力簡單；連接銷只承受剪切載荷；易于更換和維護(hù)；疲勞損傷容限性能好，結(jié)構(gòu)壽命高。但由于順航向耳片接頭需要在垂尾翼型內(nèi)布置拉桿，往往受到垂尾空間的限制。

2.2.2 垂直航向耳片接頭連接

機(jī)身接頭布置在與垂尾前、后梁對應(yīng)的加強(qiáng)框上，接頭耳片方向與飛機(jī)航向垂直，故稱垂直航向耳片接頭，代表機(jī)型有波音707、波音737飛機(jī)。

波音737垂尾前、后梁的耳片接頭均為組合式雙耳結(jié)構(gòu)。耳片腹板和緣條分別與對應(yīng)加強(qiáng)框的腹板

和框緣條相連。由于后梁根部載荷較大，布置由8個單耳片組成的4組接頭來滿足破損安全要求，如圖7所示。接頭的螺栓孔軸線與飛機(jī)的縱軸平行，且前后共軸，垂直航向的耳片接頭傳遞垂尾根部的側(cè)向載荷，航向載荷則通過垂尾后梁接頭前后的“L”型材傳遞。

垂直航向耳片接頭結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：安裝與拆卸垂尾時可用一側(cè)的前后接頭作軸，向機(jī)身側(cè)向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行吊裝?？梢越档涂傃b廠房高度，便于外場維修、拆卸和更換；與垂尾前梁連接的機(jī)身接頭不傳遞航向載荷，航向載荷由布置在機(jī)身垂尾后梁處的接頭傳遞；機(jī)身尾段外形收斂，為保持前后接頭孔的同軸度，必須抬高后部接頭，造成后部接頭在承受側(cè)向力時受載較嚴(yán)重；垂尾接頭需轉(zhuǎn)折為“L”型，產(chǎn)生附加應(yīng)力，垂尾接頭設(shè)計復(fù)雜；零件多，重量大，裝配復(fù)雜；屬于波音系列早期方案，現(xiàn)在已不再采用。

2.3 平面接頭對接

垂尾位于后機(jī)身上部，垂尾壁板通過幾組垂尾接頭連接到對應(yīng)的機(jī)身加強(qiáng)框接頭上，對接平面為后機(jī)身與垂尾的設(shè)計分離面。平面對接設(shè)計又包含兩種方案，一種是以支線飛機(jī)ATR72為代表的僅通過接頭大螺栓承受拉剪復(fù)合載荷的連接形式；另一種是以寬體飛機(jī)B767、B777、B787和A350為代表的垂尾接頭除了大螺栓還有小螺栓承剪的結(jié)構(gòu)形式。

ATR72飛機(jī)采用“T”尾布局，垂尾與后機(jī)身間通過平面接頭對接(4點(diǎn)/6點(diǎn))，所有載荷均由垂尾接頭的大螺栓傳遞，其側(cè)面和前后梁處都沒有布置承剪小螺栓。這樣的連接方案結(jié)構(gòu)簡單但傳力復(fù)雜，裝配時可通過墊片調(diào)整，界面處后機(jī)身上壁板開口能夠滿足裝配和維護(hù)的可達(dá)性要求，如圖8所示。

B787采用多點(diǎn)連接(8點(diǎn))，如圖9所示。垂尾“L”型接頭與后機(jī)身框接頭連接；機(jī)身與垂尾的每個對接點(diǎn)上設(shè)計有兩個螺栓孔，連接螺栓主要受拉，接頭前后緣條延伸處布置小螺栓，用來傳遞航向剪切載荷；尾翼前后梁處同樣設(shè)計“L”型接頭與后機(jī)身前后梁框連接，傳遞側(cè)向剪切載荷。連接界面處僅在后機(jī)身壁板中間設(shè)計一個開口，能夠滿足較大飛機(jī)的維護(hù)可達(dá)性；連接接頭與加強(qiáng)框可以采用整體機(jī)加件，也可以采用組合件。組合設(shè)計能夠提高結(jié)構(gòu)的損傷容限能力，降低制造難度，節(jié)省成本；但裝配較復(fù)雜，會增加重量。

平面接頭對接方案的特點(diǎn)為：機(jī)身與垂尾對接面為一個平面，接頭可以與壁板貼合連接，對垂尾翼型要求不高；連接處大小螺栓分別承受拉伸載荷和剪切載荷的情況對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度計算都相對簡單，拉伸對接孔精度要求低，對接裝配相對容易，成本低；但小螺栓的設(shè)計導(dǎo)致垂尾不可拆卸，更換垂尾困難；只通過大螺栓承受拉剪復(fù)合載荷的方案，疲勞性能差；對接處，后機(jī)身理論外形需要從雙曲面修形為平面。

3 后機(jī)身與垂尾連接構(gòu)型對比分析

對上述連接方案的特點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 后機(jī)身與垂尾連接方案對比

注：√良好；- 一般；×較差

從表1可以看出，斜框連接結(jié)構(gòu)傳力連續(xù)而直接，在工藝、成本和重量方面也具有一定優(yōu)勢，但固定連接不利于檢修和維護(hù)，無分離面設(shè)計也限制了垂尾與后機(jī)身的設(shè)計和制造供應(yīng)商的選擇。斜框布置影響了后機(jī)身段的總體布局，尤其是平尾的布置，因此多用于100座以下采用“T”尾的支線飛機(jī)。

耳片接頭連接構(gòu)型，尤其是順航向帶附加接頭方案，在損傷容限特性、結(jié)構(gòu)維修性、工藝性方面具有明顯的優(yōu)勢，容易滿足現(xiàn)代民用飛機(jī)較高的服役壽命要求；同時能夠降低結(jié)構(gòu)重量和成本，對后機(jī)身外形影響較??；連接界面處需要布置整流罩；但這種構(gòu)型需要有足夠開敞的裝配和維修空間，尤其是側(cè)連桿的布置不適用與尾翼厚度較小的支線飛機(jī)；另外，多組耳片式接頭平面最好相互平行且距離較近，可以避免偏心造成的附加彎矩，對于翼型曲率較大的機(jī)型布置起來比較困難；需要同時關(guān)注接頭和螺栓的疲勞問題。

平面接頭對接構(gòu)型相對耳片接頭構(gòu)型傳力路線較短；對空間要求?。豢梢耘c垂尾翼型相匹配，相比耳片接頭更適合與復(fù)合材料垂尾連接；在國內(nèi)具有較為成熟的制造和裝配經(jīng)驗(yàn)；且垂尾與機(jī)身連接處無需整流；相比耳片接頭載荷單一，只需關(guān)注螺栓疲勞問題即可；但其貼合面處檢查和維修相對困難；需要對后機(jī)身雙曲面理論外形進(jìn)行修形。

現(xiàn)代民用飛機(jī)的垂尾結(jié)構(gòu)和機(jī)身尾段越來越多的采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。對于大飛機(jī)來講，由于垂尾面積大，載荷大，通常的4個或6個接頭傳載已不能滿足要求，加上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單釘傳載能力較小，必然需要更多接頭傳載，而多個承受復(fù)雜、高載耳片接頭的高精度協(xié)調(diào)安裝難度會成倍增加；采用多個對拉接頭的平面連接，由于釘?shù)呐浜暇纫蟛桓?，簡化了垂尾的對接安裝，大大降低了裝配難度；通常耳片式接頭與垂尾壁板采用整體固化，為了保證與航向平行，往往接頭處較厚，結(jié)構(gòu)尺寸大，不利于固化，難以保證質(zhì)量；而機(jī)身的耳片接頭往往采用金屬機(jī)加結(jié)構(gòu)。金屬與復(fù)材接頭的雙剪連接，也容易造成復(fù)材接頭的分層。平面對接方案則可以采用鈦合金接頭與垂尾復(fù)合材料壁板進(jìn)行機(jī)械連接，改善了裝配工藝和結(jié)構(gòu)的疲勞性，對于復(fù)合材料機(jī)身與垂尾連接具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文在對多個典型機(jī)型后機(jī)身與垂尾的連接結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了研究，總結(jié)了三種典型的連接形式。通過分析和比較，可以看出每種連接方案都有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)和適用機(jī)型。其中波音機(jī)型以平面對接形式為主，空客機(jī)型則主要采用順航向耳片式連接方案。對于代表波音和空客最高技術(shù)水平的兩大復(fù)合材料機(jī)型B787和A350，雙方都采用了平面對接方案，也從一個側(cè)面說明了平面對接方案在復(fù)合材料飛機(jī)垂尾與機(jī)身連接的適用性。

了解和熟悉各種連接形式的特點(diǎn)及其適用性，采用成熟有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計方案，能夠降低設(shè)計成本和風(fēng)險。本文的研究能夠?yàn)椴煌瑱C(jī)型后機(jī)身與垂尾的連接提供參考，對國內(nèi)民用飛機(jī)在該連接結(jié)構(gòu)處的方案設(shè)計具有借鑒意義。

[1] 《飛機(jī)設(shè)計手冊》總編委會.飛機(jī)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，2000.

[2] 牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2008.

Research on configurations of After Fuselage and the Vertical Stabilizer Intersection for Civil Aircraft

SUN Jieqiong ZHANG Baozhu YOU Hongliang

(Engineering Research & Development Center， AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.， Shenyang，110000， China)

The joint between after fuselage and the vertical stabilizer for commercial aircraft is very important, which transfers the load from vertical stabilizer to fuselage. The joint structure design is based on load, methods，damage tolerance, repairable, weight, cost, etc. This paper analyzes the mature concept of representative aircraft and the joint scheme of developing aircraft, and makes a summary of three main schemes. The advantages and disadvantages were given by comparing. The methods could be used as reference for the joint between after fuselage and the vertical stabilizer of commercial aircraft.

commercial aircraft; after fuselage; vertical stabilizer; joint; fitting

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.007

V225+.2

A