民用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼檢修口蓋設(shè)計(jì)

魏士禮

摘 要：民用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼主盒段結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間作為整體油箱，下壁板通常開設(shè)若干口蓋。機(jī)翼上的口蓋除保證維修檢查時(shí)具有可達(dá)性外，還需要滿足剛度、油箱密封、防火、防沖擊損傷、閃電防護(hù)等要求。同時(shí)，檢修口蓋在飛機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)需重復(fù)拆裝，因此確保檢修口蓋的緊固件允許重復(fù)拆裝且口蓋本身具有防錯(cuò)設(shè)計(jì)。該文從設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、材料選擇、密封等方面介紹復(fù)合材料機(jī)翼口蓋的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 機(jī)翼整體油箱 檢修口蓋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 閃電防護(hù)

中圖分類號：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0010-05

Abstract：The interior space of main structure of commercial aircraft composite wing is often used as the integral fuel tank， access covers are designed on the lower composite panel. The access door on wings have to be ensured the accessibility of maintenance inspection， and moreover， need to meet the requirements of stiffness， fuel tank seal， fire prevention， impact damage and lightning protection. Meanwhile， the access doors need to be removed and reinstalled repeatedly throughout the aircrafts life， it is therefore recommended to ensure that fasteners used for the access doors allow for repeated removal and installation， and the access doors need error proofing design. This paper introduces the design of access door in terms of design principle， structural configuration， material selection， sealing and lightning protection.

Key Words：Composite； Wing Integral fuel tank； Access door； Structure design； Lightning protection

隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，波音787和空客A350XWB機(jī)翼都采用復(fù)合材料整體壁板結(jié)構(gòu)[1]。民用飛機(jī)普遍利用機(jī)翼主盒段內(nèi)部空間作為整體油箱，可增大飛機(jī)燃油貯量、增加續(xù)航時(shí)間、改善飛行性能。這是提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率、改善氣動(dòng)彈性、飛行品質(zhì)、控制特性的重要技術(shù)途徑之一[2]。

檢修口為翼盒內(nèi)部維護(hù)和裝配提供通道，可拆卸的檢修口蓋用于封閉檢修口并密封整體油箱，構(gòu)成機(jī)翼壁板氣動(dòng)外形的一部分。機(jī)翼檢修口蓋在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足防沖擊損傷、防雷擊、防火等要求，以避免因口蓋失效導(dǎo)致的機(jī)翼整體油箱泄漏[3]。由于復(fù)材零件的加工特性，機(jī)翼復(fù)材壁板檢修口蓋的設(shè)計(jì)也與傳統(tǒng)金屬機(jī)翼有所不同。該文通過設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、材料選擇、密封、閃電防護(hù)等方面介紹復(fù)合材料機(jī)翼口蓋的設(shè)計(jì)。

1 機(jī)翼檢修口布局

1.1 檢修口位置及布局

對國外采用復(fù)合材料機(jī)翼的客機(jī)波音B787[4-6]和空客A350XWB[7]，以及軍用運(yùn)輸機(jī)A400M[8]復(fù)合材料機(jī)翼進(jìn)行研究分析，通常在機(jī)翼下壁板開設(shè)檢修口蓋。檢修口應(yīng)布置在對強(qiáng)度影響較小的部位，盡量不破壞主承力結(jié)構(gòu)，保持總體受力系統(tǒng)的完整性[9]。將檢修口位置布置在下壁板沿一條長桁軸線可以最少切斷長桁，降低對下壁板受力影響。

為滿足翼盒內(nèi)部可達(dá)性要求，檢修口中心線應(yīng)盡量靠近機(jī)翼弦向中間位置。沿機(jī)翼展向，除結(jié)構(gòu)限制無法布置檢修口之外兩肋間都應(yīng)布置一個(gè)檢修口[9]。圖1為典型機(jī)翼下壁板檢修口布置圖。

圖1中的檢修口采用橢圓形，檢修口長軸位于中心長桁的軸線上，距離前后梁距離基本相等。機(jī)翼高度沿翼展逐步縮小，可達(dá)性要求逐步變化，檢修口從機(jī)翼根部到梢部也逐漸減小。

1.2 檢修口形狀尺寸

檢修口形狀應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中，常用的檢修口形狀包括橢圓形、圓角矩形和圓形[9]。為了滿足維護(hù)和裝配可達(dá)性要求，需人員進(jìn)入翼盒內(nèi)部的區(qū)域，應(yīng)采用全尺寸開口。只需要部分人體進(jìn)入的結(jié)構(gòu)可采用更小的檢修口。但條件允許時(shí)應(yīng)盡量選擇大的開口尺寸以獲得更好的通過性。機(jī)翼下壁板常用檢修口尺寸如表1[10]。

2 檢修口蓋設(shè)計(jì)

2.1 口蓋設(shè)計(jì)原則

檢修口蓋是整體油箱密封、裝配和維修的通道，也是機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)的一部分。為符合適航要求和功能要求，檢修口蓋應(yīng)滿足以下技術(shù)要求[11]。

（1）可拆卸，滿足裝配和維修要求。

（2）滿足油箱密封要求。

（3）下壁板氣動(dòng)外形光順要求。

（4）離散源沖擊損傷防護(hù)要求。

（5）閃電防護(hù)要求。

（6）防火要求等。

2.2 檢修口蓋類型

常用的機(jī)翼檢修口蓋有兩種構(gòu)型，螺接口蓋和夾持口蓋，如圖2所示[12]。

螺接口蓋為承力型口蓋。螺釘從外側(cè)穿過口蓋，連接到固定在蒙皮上的螺母。螺接口蓋與機(jī)翼蒙皮的電搭接充分，可降低油箱內(nèi)產(chǎn)生電弧或電火花的風(fēng)險(xiǎn)，且其參與受力可降低結(jié)構(gòu)重量。螺接口蓋拆卸困難，蒙皮上的螺釘孔易產(chǎn)生裂紋，影響蒙皮疲勞壽命。螺接口蓋適用于蒙皮厚度較薄無法采用夾持型口蓋的區(qū)域。

夾持口蓋為非承載口蓋，由內(nèi)、外口蓋組成，通過螺栓將內(nèi)、外口蓋夾持在蒙皮上。夾持口蓋需考慮與蒙皮之間的閃電防護(hù)問題。夾持口蓋便于拆卸，有利于提高飛機(jī)的維修性能和油箱的密封性。當(dāng)外翼彎曲變形時(shí)，夾持口蓋不參與外翼的總體載荷傳遞，適用于疲勞敏感區(qū)域，但口蓋本身承受油壓載荷。機(jī)翼油箱口蓋應(yīng)盡量采用夾持型口蓋。

2.3 檢修口蓋密封設(shè)計(jì)

檢修口蓋是可拆卸的組合件，其密封不同于固定結(jié)構(gòu)的密封?？谏w密封不是靠密封劑和結(jié)構(gòu)的粘合，而是靠密封材料的彈性壓縮?？谏w的密封形式一般有兩種，溝槽密封和膠墊密封[9]。

溝槽密封是在口蓋或蒙皮上機(jī)加出溝槽，溝槽內(nèi)安裝密封件。膠墊密封是在口蓋和蒙皮夾彈性密封膠墊。表2為溝槽密封和膠墊密封對比。

復(fù)材翼盒夾持口蓋一般采用溝槽密封。溝槽布置在口蓋上，避免在蒙皮上加工溝槽，降低復(fù)材蒙皮損傷可能性。

2.4 夾持型口蓋材料選擇

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，復(fù)合材料也常被用于制造檢修口蓋[13]?？谏w按材料分為金屬口蓋和復(fù)合材料口蓋。表3為口蓋常用材料。

鋁合金口蓋接觸復(fù)材蒙皮的電化腐蝕問題嚴(yán)重，對鋁合金口蓋的防電化腐蝕處理與閃電防護(hù)要求相違背。因此，復(fù)合材料機(jī)翼的口蓋優(yōu)先選擇復(fù)合材料和鈦合金。

2.5 夾持型口蓋構(gòu)型設(shè)計(jì)

夾持型口蓋分為壓蓋式和壓環(huán)式。圖3為壓蓋式和壓環(huán)式口蓋圖。

壓蓋式口蓋由內(nèi)、外口蓋組成。內(nèi)口蓋在翼盒內(nèi)部，承受油壓載荷?？刹捎眉咏顚訅喊?、蜂窩/泡沫夾層、短切纖維熱塑等構(gòu)型。外口蓋在翼盒外側(cè)，通過螺栓與內(nèi)口蓋形成夾持，主要承受氣動(dòng)載荷。離散源損傷影響區(qū)域的外口蓋可以使用金屬材料，防止沖擊損壞口蓋結(jié)構(gòu)。其他區(qū)域的外口蓋可考慮復(fù)合材料層壓板構(gòu)型。

壓環(huán)式口蓋由口蓋和壓環(huán)組成，可以有效降低口蓋結(jié)構(gòu)重量?？谏w與壓蓋式內(nèi)口蓋構(gòu)型相同，壓環(huán)與口蓋通過螺栓夾持。壓環(huán)一般采用鋁合金或鈦合金。壓環(huán)式口蓋的抗沖擊性能限制，可布置在非離散源損傷影響區(qū)域，以降低口蓋重量。

2.6 口蓋與壁板界面設(shè)計(jì)

檢修口蓋與機(jī)翼下壁板相互連接，壁板厚度和檢修口開口形式影響檢修口蓋的設(shè)計(jì)。表4為常用復(fù)材壁板與口蓋的界面設(shè)計(jì)。

三種壁板開口形式應(yīng)綜合考慮制造難度、成本、纖維分層，結(jié)構(gòu)重量，采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行選擇。

2.7 夾持型口蓋閃電防護(hù)設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)低于鋁合金，雷擊可能會(huì)損傷碳纖維復(fù)合材料壁板。因此，必須采取有效的防護(hù)措施并提供導(dǎo)電通路，以保證飛機(jī)的飛行安全[14]。

檢修口蓋設(shè)計(jì)應(yīng)考慮與壁板的閃電防護(hù)要求。螺接口蓋可通過螺栓實(shí)現(xiàn)與壁板的電通路[15]。夾持口蓋無螺栓通過壁板，口蓋與壁板間的閃電防護(hù)需重新設(shè)計(jì)。如圖4是一種夾持口蓋的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)。使用金屬外口蓋，與蒙皮貼合面需設(shè)計(jì)銅網(wǎng)且延伸一定距離，保證外口蓋與蒙皮之間的電通路。如采用復(fù)合材料外口蓋設(shè)計(jì)，可在外口蓋的外側(cè)增加金屬網(wǎng)，使其與壁板之間形成有效的電通路。

2.8 口蓋防火設(shè)計(jì)

根據(jù)FAA復(fù)合材料機(jī)翼防火要求：必須證明機(jī)翼和油箱設(shè)計(jì)能夠耐受外部燃油聚集性燃燒至少5 min[16]。為滿足此要求，外口蓋可采用鈦合金，內(nèi)口蓋可采用耐高溫復(fù)合材料口蓋的構(gòu)型。結(jié)構(gòu)符合性需通過部件級試驗(yàn)加以驗(yàn)證其防火性。

3 結(jié)語

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料大范圍應(yīng)用于飛機(jī)主結(jié)構(gòu)中。由此帶來的檢修口蓋材料也由傳統(tǒng)的鋁合金結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)。該文通過研究國外現(xiàn)役機(jī)型，介紹復(fù)合材料機(jī)翼檢修口蓋設(shè)計(jì)。檢修口蓋設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮機(jī)翼復(fù)合材料壁板檢修口的制造性和開口補(bǔ)強(qiáng)方案；同時(shí)，檢修口蓋在飛機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)需重復(fù)拆裝，因此，確保檢修口蓋的緊固件允許重復(fù)拆裝且口蓋本身具有防錯(cuò)設(shè)計(jì)。為了保證檢修口蓋的設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)和功能要求以及符合適航要求，需通過試驗(yàn)驗(yàn)證口蓋的密封性，防火性，閃電防護(hù)性能等。

參考文獻(xiàn)

[1] 王德堂，馮軍.大型飛機(jī)復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2011（13）：58-60.

[2] 張明星.經(jīng)典機(jī)型的機(jī)翼整體油箱布置分析[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011（3）：39-44.

[3] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第5冊），民用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[4] Turner E. The Birth of the 787 Dreamliner[J]. 2010.

[5] WG Roeseler，B Sarh，MU Kismarton. Composite Structures：The First 100 Years， 2007.

[6] 汪萍.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)參考機(jī)種之一波音787-8雙發(fā)寬體中遠(yuǎn)程客機(jī)[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2010（2）：37.

[7] 汪萍.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)參考機(jī)種之一空客A350—900雙發(fā)寬體客機(jī)[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2009（4）：23-26.

[8] 陳亞莉.復(fù)合材料成型工藝在A400M軍用運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008（10）：32-35.

[9] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第10冊），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[10] 陳文俊，趙魯春，李軍.某型民機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼下壁板開口補(bǔ)強(qiáng)及優(yōu)化研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2015（4）：64-66.

[11] Delgado Jare?o J L，Outon Hernández I. Manhole assembly in the lower skin of an aircraft wing made of a composite material： US， US8662451[Z].2014.

[12] 馬文博.某型號飛機(jī)口蓋設(shè)計(jì)研究[J].裝備制造技術(shù)，2015（8）：194-195.

[13] 楊文，高彬，劉曉明.發(fā)動(dòng)機(jī)艙大開口口蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2014（S1）：103-107.

[14] 趙毅.飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)閃電直接防護(hù)分析[J].科技信息，2013（17）：62-63.

[15] Hunt J.Lightning protection fastener：US，US 4630168 A[Z].1986.

[16] 崔素春.復(fù)合材料整體油箱抗外部火災(zāi)的適航驗(yàn)證思路[J].江蘇科技信息，2016（2）：42-43.