民用飛機機身結構排水設計研究

張剛， 劉杰

（中航沈飛民用飛機有限責任公司工程研發中心，沈陽110000）

0 引言

空氣在飛機內部結構寒冷表面上冷凝形成的水汽及飛機飛行過程中產生的各種廢液是引起飛機多種腐蝕和誘發設備故障極為有害的介質。腐蝕可對飛機機體帶來嚴重的損傷，并產生巨額的維修費用，甚至造成飛機發生災難性事故。因此，在飛機研制過程中應滿足飛機排水設計相關要求，為排除這些有害液體設計和布置排水路徑及其相關結構，從而減緩或防止機體腐蝕的發生，保證飛機在壽命期內安全飛行［1］。

1 機身結構排水設計原則

1.1 機身結構排水設計目標

飛機機身結構需要控制和排放的液體主要包括：空氣冷凝在各種表面所產生的凝聚水；因可能的沖刷，滲入或濺落到飛機內部的雨水或沖洗液；從系統中正常滲漏出來的燃油、液壓油和其它液體；機艙廚房和洗手間水槽中滲漏或溢出的灰水；地板上的灰水；馬桶中的廢水；登機門或服務門旁在地板上溶化的積雪或泥水；防凍液等。

機身結構排水設計的目標是保證飛機在必要的地方提供排水、密封及通風措施，以起到降低火患、防潮、防腐和防磨的作用，并避免在飛機特定部位形成危害性的結冰。

飛機機身結構的排水設計應滿足相關的適航要求，如CCAR25.609“結構保護”、CCAR25.863“可燃液體的防火”、CCAR25.1185“可燃液體”、CCAR25.1187“火區的排液和通風”、CCAR25.1455“易凍液體的排放”等［2］，并符合結構耐久性和防腐蝕設計的有關要求。

1.2 機身結構排水設計原理

飛機在停機狀態，依靠飛機自身的俯仰角度將所需排放的液體全部排出機外；在起飛時的地面滑行狀態，利用飛機產生的俯仰運動，液體通過機身壁板上形成的縱向和環向排水路徑由機身底部的排水閥排放至機外；飛機在下降階段也可進行排水，但此時液體可能已經結冰。飛機機身結構排水設計原理如圖1所示。

圖1 飛機機身結構排水設計原理示意圖

1.3 機身結構排水設計思路

飛機機身結構的排水必須保證結構元件上所凝結的弱腐蝕性水可以通過盡可能短的排水路徑排向飛機機艙底部；從廚房等類似地方排出的腐蝕性液體能夠直接排到機外，或收集到耐腐蝕的容器中，以便在著陸時進行處理。

從壓力機艙向機外排水應使所聚集的液體能夠完全排出，所采用的排水方法可以是自動的或手工的，并作為飛機階段性維護程序中的一個環節進行處理；從飛機非壓力區域向機外排水應保證液體持續排出。飛機機身結構的正確排水必須通過嚴密的設計而不是大量使用密封劑來保證。

飛機機身結構的排水設計應提供數據證明有合理且足夠的排水路徑和排水位置，并通過試驗證實飛機的排水效率。

2 機身結構排水設計要求

2.1 通用設計要求

在機身的增壓區域，機身的排水應滿足以下要求：1）機身結構應該為排除冷凝液體設置通風或排水設施；2）通向機外的排放系統應設計成將艙內空氣的泄漏最小化，總的空氣泄漏量必須控制在座艙壓力損失的許可范圍內；3）機外排放口的設計應該滿足飛機內部噪聲控制的相應要求；4）衛生間的廢水應該存儲在指定的廢水箱內，廢水箱應該垂直于地面服務面板；5）廚房和衛生間水槽的廢水應該通過排水管、排水桿排到艙外或者收集在指定的容器中，到地面后再排出，而不允許將水排到艙底；6）廚房、洗手間和登機區域的地板應密封以防止液體滲漏到相鄰區域或地板下的設備或結構上；7）在客艙門和貨艙門門檻底部應排水充分，以防止積水。

在機身的非壓力區域，所有多余液體都應排到艙外；在正常飛行過程中，排水桿應保持正吸力。

機外排放口的設計應滿足下列要求：1）排放口的設計和安裝應對機身的影響最小，除已有的規定外，其位置應盡量位于機身底部；2）具有最小氣動阻力外形；3）機外排放口排放的液體不能流入既定的安全區，如進入發動機罩上部位置等區域。

作為一項設計目標，易燃液體的排放裝置和出口應位于機身的一側（如左下部）；客艙和輔助設備的通氣管和進、出口應位于機身的一側（如右側）；水系統的加、排水口應和廢水系統的沖洗、排放口的位置分開。在不具備排水系統的部位（例如駕駛艙頂部），應在結構和絕熱隔音層之間保證新鮮空氣的充分流動，以保證所聚集的水蒸發或被流動的空氣帶走。

2.2 具體設計要求

結構上的所有區域，包括接頭、滑軌和系統元件，凡能引起凝露或積存雨水、防凍液、沖洗液、冷凝水或溢出液的結構死角或部位，都應設計適當的排水通路、排水孔或艙外排水管，以防腐蝕引起的機體損傷。

結構上的排水孔應設置得便于液體在長桁和其它構件之間流通，這些孔應符合結構耐久性設計要求。當最小直徑的排水孔不符合結構要求時，可以采用橢圓孔代替，或提供多個總表面積更大的小尺寸排水孔。所有隔框之間不能提供排水功能的長桁上應設置排水孔。排水孔的尺寸和數量應接近，以保證所有的水在可能聚集的區域都能有效排出。所使用的最大排水孔尺寸不應影響零件的完整性。不能堵塞沿著長桁和穿過隔框的排水路徑，以保證水的完全排出和減少水的聚集。應避免使用過量的密封劑，以保證排水所用的間隙和孔洞保持開敞。

避免在封閉的空間里積水。如果不可避免，必須在型腔內提供排水孔，并且將零件設計成允許液體流到該排水孔；在設計難以滿足這些目標的情況下，可以使用密封劑幫助水排向排水孔。所有可能積液的空隙或溝槽都應用密封劑填平，以讓液體通過最近的排水孔排出。結構設計時應盡量減少密封劑的使用。

飛機機體（包括機身和機翼）上的凝聚物，應通過帶有排放活門的排放孔或排放口排至機外。在增壓區之內的結構，應通過通風或排放措施清除所有液體，在需要的區域應設置液體排放管路，并通往機外排放口。定位液體排出口時應做到排出的液體，不管是排到地上的還是排到空氣中的，都不可以沿結構回流，也不可流到結構、機艙或駕駛艙的窗戶上。在座艙的絕熱隔音層和結構之間應有足夠大的空間，以排除毛細管作用；并應采取有效辦法清除凝聚物。

飛機艙底區域和各長桁上的絕熱隔音層應采取措施，以使得絕熱隔音層到蒙皮和長桁之間有最大的凈空間隙。當需要時，在絕熱隔音層和蒙皮之間使用干燥的襯墊，使得它們之間有足夠的距離并使水在襯墊表面上流動。

3 機身主要區域的排水設計要點

3.1 機艙底部

在機身底部應提供尺寸足夠大的排水路徑（包括沿飛機中心線的排水裝置），以保證全部結構橫向排水的有效進行。在機艙底部的壓力區域，機外排水應使用自動壓力閥門完成。排水閥應使用絕緣套進行保護，以保證閥門的正常工作。在機身的最低部位以及機身對稱面兩側應提供排水裝置（如排水閥）。在機艙底部的非壓力區域，龍骨梁、起落架艙隔框和后壓力隔框的后表面是需要良好排水和充足排水孔或排水閥的區域。

3.2 客艙和駕駛艙地板

濕地板區域（如廁所和廚房、門附近等區域）的座椅滑軌應進行完全密封，以防止水在座椅滑軌內聚集；對于干地板區域，使用搭接在地毯上的覆蓋物蓋住座椅滑軌是能有效防水的方式；應提供相應設施防止水從客艙地板濺到駕駛艙。

3.3 貨艙地板

貨艙地板不需要排水系統。在設計上應保證無多余的水聚集，任何所聚集的水應能作為飛機階段性維護期間的一項工作而被排放。

3.4 門入口區域

每個登機門和服務門上部應安裝排水槽；登機門和服務門的門檻應設計成允許水聚集，然后流向機身底部區域。登機門、服務門和貨艙門的門檻及其周圍結構應設計成保證液體不聚集在角落里的形式。

3.5 門

所有向機外開啟的門應設計成當門在打開位置時防止水直接濺入。登機門和服務門的支撐結構在門打開時不應聚集雨水。壓力門應使用自動排水閥排水，非壓力門應設置排水孔。門的內部結構（如縱梁）應設置斜坡和排水孔，使得不需要額外的密封劑就能直接將水排放。從關閉的登機門和服務門向外排放的液體應能向下流向門檻處，并流向排水閥。所有艙門應設計成在門打開時，液體能排放到機外；設計上要預防因液體凍結而阻礙艙門的開閉使用。

4 機身典型排水路徑及結構

4.1 環向排水路徑

機身結構在長桁、框和角片的交界處形成了自然的環向排水路徑，將液體從機身上部排向機身下部。上、下長桁通過在長桁上設置排水孔也構成了環向排水路徑，如圖2所示。

圖2 環向排水路徑及其結構

4.2 縱向排水路徑

在長桁上，液體通過長桁與剪切角片之間的空隙流向長桁上的排水孔，形成了縱向排水路徑。流向機身底部的液體最終通過艙底最低點處布置的排水閥排向機身外部，如圖3所示。

5 結語

飛機機身結構的有效排水對于防止機體腐蝕十分重要；機身結構的排水設計應滿足適航要求以及結構耐久性和防腐蝕設計等要求；在機身的不同部位，充分利用機身結構的原有特點，合理布置排水孔、排水閥和排放口等排水設施，有效使用密封劑，以滿足飛機不同區域的排水要求。

圖3 縱向排水路徑及其結構

［1］《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊：第10冊 飛機結構設計［M］.北京：航空工業出版社，2001.

［2］ 中國民航總局中國民用航空規章：第25部 運輸類飛機適航標準：CCAR25-R4［S］.北京：中國民用航空局，2011.