民機復合材料平尾安定面兩種結構布局分析

劉杰

摘 要：越來越多的民用飛機平尾采用復合材料制造，該結構通常采用兩種典型布局，即雙梁多肋式結構布局或多梁（墻）式結構布局。從適航、重量、裝配和結構承載等多個角度對兩種典型復合材料平尾結構布局進行了分析，提出多梁或者多墻式布局的缺點和不合理性，并建議采用雙梁式布局。

關鍵詞：復合材料；平尾；多梁；適航審定

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0001-02

由于復合材料具有較高的比強度、比剛度、疲勞特性好、耐腐蝕等優點，本文以平尾安定面的兩種典型結構布局為研究對象，并從復合材料平尾結構的適航符合性角度進行分析。

1 平尾的設計要求和典型布局

平尾主要用來平衡飛機其他部件因空氣動力和慣性力所產生的力矩和操縱飛機做俯仰機動。設計平尾時，需要注意滿足以下幾方面的要求：①氣動外形要求。用來滿足氣動阻力和升力特性的要求。②強度—重量要求。應能承受各種規定載荷的強度或剛度要求，同時在飛行范圍內不得發生靜、動氣動彈性的不穩定現象（顫振、發散等）。③使用維修要求。應考慮平尾安定面是承受重復載荷作用的部件，對結構的檢查應具有良好的可見性、可達性和快速、高質量修理的能力。④工藝性要求。由于平尾的翼型較薄，主盒段翼盒高度低，結構高度小，裝配通路狹窄，更應注意良好的工藝性設計。

平尾安定面常采用兩種典型的結構布局，即雙梁多肋式和多梁（墻）式。B737，B757，B767，A320，A340-300，A340-600，A350，C919等主流民用飛機的平尾均采用雙梁多肋式結構布局。F16和B787的平尾則采用了多梁式結構布局。

2 膠接結構的適航審定要求

民用飛機的結構必須考慮適航符合性。所謂的膠接是指通過膠接工藝形成的結構連接，是由一個或多個預先固化好的復合材料或金屬零件組成的結構。民用飛機復合材料平尾由于裝配高度小、機械連接難度大，往往采用共固化或共膠接的方式裝配。

對于復合材料膠接結構的適航審定，通常按照咨詢通告AC20-107B進行。AC20-107B指出，14 CFR§23.573（a） 對主要復合材料機體結構正式規定了如下要求，包括對損傷容限、疲勞和膠接連接的考慮。雖然這是針對小飛機的準則，通常預期對運輸機和旋翼機類飛機會采用同樣的性能標準（通過專用條件和問題紀要）。（a）對于任何膠接接頭，§23.573（a）（5）部分規定：“對任何膠接連接件，如果失效可能會造成災難性的后果，必須至少用下列一種方法驗證其限制載荷能力：①用分析、試驗或兩者兼用的方法確定每個膠接連接件能承受（a）（3）載荷的最大脫膠范圍。對于大于該值的情況，必須從設計上加以預防；②對每個將承受臨界限制設計載荷的關鍵膠接連接件的批生產件進行驗證檢查；③必須建立可重復的、可靠的無損檢查方法，以確保每個連接件的強度。”

根據EASA適航當局官員的建議，應避免采用全膠接結構形式，由于目前還無法預測開膠，證明損傷容限要求相關的符合性是十分困難的。通常要進行假定兩個機械連接或緊固件之間全部開膠的限制載荷試驗。另外，所有膠接連接應保證無損檢測時具有充分的可達性。

3 平尾典型結構布局分析

平尾結構布局采用何種形式更好，通常根據在滿足同樣設計要求的前提下，結構重量最輕，且易于適航審定的原則判定。

雙梁多肋式平尾布局的優點分為以下幾個方面：①結構制造成本低，抗扭剛度高，抗顫振品質較好，且結構效率高，結構重量較輕；②兩個梁根部常采用集中接頭與機身或者平尾中央盒段連接，裝配方便；③翼肋對升降舵懸掛支臂起到合理的支撐，傳力直接、有效。

多梁（墻）式布局存在以下幾方面的問題：①平尾翼型較薄，后緣安裝升降舵，翼盒一般較狹小，布置空間有限，不放便布置多個梁或墻。②多梁布局的平尾如果采用多個集中接頭連接，裝配界面復雜且精度不易控制，增加了裝配時間和成本。③平尾所受的扭矩主要由前、后梁和上、下壁板組成的盒段承受，而多梁式布局平尾除前、后梁外，其他梁則對扭矩的作用可忽略，因此增加了結構重量。④多梁式結構布局布置翼肋時很不方便，所以平尾的氣動外形不易得到保證。而且，沒有翼肋的滯止，梁或墻與蒙皮之間的最大脫膠范圍難以界定，適航審定難度大。⑤平尾安定面如果采用多梁式布局（無翼肋），升降舵懸掛支臂位置需要翼肋作為支撐，如果不能布置翼肋，則傳力路徑不合理，會導致結構增重。⑥多梁式布局結構中，長桁和蒙皮的間距較大，大大降低了蒙皮的穩定性，最終導致增重。⑦多梁式結構布局的平尾盒段被多個梁分隔為幾個閉室，裝配通路十分有限，裝配難度加大，產品質量不易保證，報廢率高。⑧即使是T型布局的高平尾，也不能避免冰雹沖擊損傷的可能性，加之制造、裝配、使用、維護過程中同樣存在踩踏、工具掉落的可能性，復合材料膠接平尾結構必須要考慮膠接如何進行適航符合性證明。⑨軍機常采用多梁布局，是為了提高戰斗力和生存能力，而民機的設計顯然需要考慮適航的要求。波音公司對膠接分層或開膠也制定了設計準則，需要“證明由于制造、環境或意外事故引起的膠接面損傷不會擴展到使剩余強度降低到小于限制載荷承載能力”。因此，B787平尾在選用多梁布局時也遵循該原則，這也對大多數公司的膠接結構驗證技術提出了新的挑戰。

4 結束語

為了滿足民用飛機平尾的通用設計要求和適航審定要求，通過對現代民用飛機中多個型號的應用經驗分析得出，采用復合材料的民用飛機平尾（大展弦比），宜采用雙梁多肋式結構布局，而多梁（墻）式則適用于軍用戰斗機薄翼型（中、小展弦比）。

參考文獻

[1]中國民用航空總局，第132號令.CCAR-23-R3 正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定[S].2004-10-12.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： A growing number of civilian aircraft horizontal tail made of composite materials， the structure usually two typical layout， namely dual-beam or multi-ribbed structure layout （wall） structure layout beams. Airworthiness from multiple angles， weight， and other assembly and structure carrying two typical composite horizontal tail structure and layout were analyzed， shortcomings and irrationality multi-beam or multi-wall layout and recommended dual beam layout.

Key words： composite materials； hirao； multi-beam； airworthiness certification