民用大型客機超臨界機翼系統(tǒng)布置設(shè)計的初步分析研究

陳麗華　趙海濤　陳裕

【摘 要】民用大型客機的后繼發(fā)展方向是以更加安全、更加經(jīng)濟、更加環(huán)保和更加舒適為基本特征的。超臨界機翼是能更好的追求這些特征的一項重大的先進技術(shù)。但是，運用超臨界機翼這項新技術(shù)的同時提高了機翼系統(tǒng)布置的難度。本文提煉了機翼協(xié)調(diào)區(qū)的布置設(shè)計流程，說明了在布置的過程中需權(quán)衡和考慮的因素，為大型客機機翼系統(tǒng)布置提供設(shè)計思路。

【關(guān)鍵詞】大型客機；超臨界機翼；機翼系統(tǒng)布置

【Abstract】The development direction of civil aircraft is the basic characteristics of more safety， more economy， more environmental and more comfort. For the purpose of better characteristics， supercritical Wing is one of the most significant advanced techniques. However， this will bring more difficulties to the systems layout of wing. This article abstracts the design procedure of wing and illustrates all kinds of factors that should been considered in the arrangement design. Some design considerations for the systems layout of wing will be introduced in this article.

【Key words】Civil Aircraft； Supercritical Wing； Systems layout

0 引言

起飛總重超過100噸的運輸類飛機一般稱為大飛機。國內(nèi)通常將150座以上的民用運輸機稱之為大型客機，但是由于各國的航空工業(yè)技術(shù)的不同發(fā)展水平，國際航運體系通常將300座以上的民用運輸機稱為大型客機[1]。機翼是連接到機身兩邊的翅膀，也是支持飛機飛行的主要升力表面。為了滿足更好的安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和舒適性，選用一副性能優(yōu)越的機翼非常重要。大型客機制造商通常采用以下先進技術(shù)來設(shè)計飛機：超臨界機翼、機載設(shè)備模塊化設(shè)計、吊掛短艙一體化設(shè)計、系統(tǒng)冗余設(shè)計。運用這些新技術(shù)的同時也增加了機翼系統(tǒng)布置的難度。

1 機翼的布置設(shè)計依據(jù)

1.1 機翼的通用設(shè)計要求

根據(jù)機翼在飛機上的用途和使用要求，設(shè)計機翼時，一般有如下要求：

1）保證機翼外形滿足氣動設(shè)計要求，曲面光順盡量無凹凸；

2）盡量保證機翼左右兩側(cè)對稱布置；

3）由于機翼中安裝很多系統(tǒng)設(shè)備和管線路，在滿足機翼自身結(jié)構(gòu)強度外，還需滿足各系統(tǒng)的安裝以及安全性、維修性等要求。

1.2 機翼內(nèi)部系統(tǒng)管線路布置與走向遵循原則

根據(jù)不同形式管線路，原則上應(yīng)先布置拉桿、然后布置鋼索最后再布置管路與電氣線束；根據(jù)管線路尺寸，應(yīng)遵循先粗后細(xì)，先硬后軟的原則；根據(jù)承載介質(zhì)不同，原則上應(yīng)當(dāng)遵循，從上到下依次為：氣體、水/廢水、易燃及腐蝕性液體。電纜線束應(yīng)布置在液體管路上方，避免液體泄漏到電纜上造成污染，如無法滿足，則必須采取措施避免電纜線束被泄漏液體腐蝕，保證安全性。

1.3 間隙要求

靜止件與靜止件間隙至少要保證為0.25英寸，靜止件與運動件間隙至少保證為0.5英寸，運動件與運動件間隙至少保證為1英寸，若系統(tǒng)有特定的間隙要求，則以特定間隙要求為準(zhǔn)。

1.4 總體布置設(shè)計要求

民用大型客機機翼系統(tǒng)布置需要滿足適航的要求，機翼一般都用作燃油箱，需考慮燃油箱防爆適航條款CCAR25.981（a）、鳥撞、發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破（翼吊飛機）、飛機輪胎爆破和擺桿影響等[2]。

2 機翼協(xié)調(diào)區(qū)布置流程介紹

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及相關(guān)設(shè)計要求規(guī)范進行結(jié)構(gòu)布置和系統(tǒng)布置的細(xì)化設(shè)計，機翼的布置流程如圖1所示。

機翼布置是一個反復(fù)與迭代的過程，要充分考慮系統(tǒng)的安裝維護和間隙要求，還要考慮不同系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)之間，以及系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的更改對其他系統(tǒng)的影響等。本文主要分析大型客機的機翼系統(tǒng)布置，一般有下述幾個特點：

1）大型客機適航審定基礎(chǔ)一般是CCAR25部，滿足適航要求是機翼系統(tǒng)布置的首要考慮因素；

2）超臨界機翼一般內(nèi)部布置空間比較狹小，需要滿足機翼的氣動外形、運動機構(gòu)和復(fù)合材料的使用要求，同時滿足各系統(tǒng)之間的間隙要求和相對位置的要求；

3）超臨界機翼在飛行過程中一般會發(fā)生彈性變形，必須結(jié)合不同的飛行工況，細(xì)化分析不同的運動極限狀態(tài)下機翼結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的間隙要求；

4）需要考慮翼吊形式發(fā)動機短艙對機翼內(nèi)部系統(tǒng)布置和安全性的影響。

圖1 機翼布置流程圖

3 機翼結(jié)構(gòu)和機翼系統(tǒng)介紹

3.1 機翼結(jié)構(gòu)介紹

民用大型客機出于安全性考慮，通常將燃油存儲在機翼當(dāng)中，所以機翼多采用雙梁多肋式結(jié)構(gòu)，貫穿整個機身。這樣的結(jié)構(gòu)布局既可以滿足燃油存儲的要求，也可以為其他系統(tǒng)留出布置空間[3]。雙梁多肋式結(jié)構(gòu)通常將飛機分為機翼前后緣、盒段和中央翼。盒段在機翼根肋處（機身側(cè)壁處）與中央翼對接，在翼尖端肋處與翼稍小翼對接。機翼前后緣包括固定前、后緣，前緣縫翼、后緣襟翼、副翼、擾流板。如圖2所示。

3.2 機翼內(nèi)部系統(tǒng)介紹及布置考慮

機翼內(nèi)部通常包括以下系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)、燃油/惰化系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）等。機翼前梁之前的固定前緣和前緣縫翼，主要布置飛控系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和防冰系統(tǒng)；機翼后梁之后耳朵后緣艙、后緣襟翼和三角區(qū)等，主要布置飛控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)；前后梁之間盒段，主要布置燃油/惰化系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

圖2 機翼結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)一般有電傳和機械兩種形式。電傳操縱系統(tǒng)是將飛行員的操縱信號，經(jīng)過變換器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)阶灾魇蕉鏅C的一種系統(tǒng)，可實現(xiàn)復(fù)雜的操作，但也有占有空間大，重量重的缺點。機械操縱是駕駛桿通過鋼索、搖臂、扇形盤等連接到作動筒上，作動筒推動縫翼和襟翼實現(xiàn)運動，無法實現(xiàn)復(fù)雜的操作，但所需布置空間小，相對重量輕。從機翼系統(tǒng)布置空間分析的角度上，機械傳動形式要好于電傳形式，但在電傳操縱的可靠性大大提高、并采用了余度技術(shù)后，電傳操縱的可靠性接近、甚至超過了機械操縱系統(tǒng)的可靠性，于是一些最新的飛機比如A320、A330、A340、B777等，都采用了全電傳操縱系統(tǒng)[3]。

飛控系統(tǒng)一般分為高升力系統(tǒng)和主飛控系統(tǒng)。機翼高升力系統(tǒng)由襟翼系統(tǒng)和縫翼系統(tǒng)組成。布置在機翼后緣的襟翼系統(tǒng)一般包括襟翼位置傳感器、襟翼傾斜傳感器、翼尖剎車組件、扭力管、角齒輪箱、扭力管支架、旋轉(zhuǎn)作動器。布置在機翼前緣的縫翼系統(tǒng)一般包括縫翼位置傳感器、縫翼傾斜傳感器、翼尖剎車組件、扭力管、角齒輪箱、扭力管支架、旋轉(zhuǎn)作動器。機翼主飛控系統(tǒng)包括地面擾流板作動器，多功能擾流板作動器和副翼作動器。可選用的作動器按其與結(jié)構(gòu)連接方式可以分為法蘭盤式作動器、點對點式作動器和分體式作動器。

圖3 法蘭盤式作動器

法蘭盤式作動器的特點為：（1）重量較大；（2）作動器剛度低；（3）抑制舵面顫振能力相對較弱；（4）使用連桿對活塞桿有徑向力作用，對作動器密封件不利，導(dǎo)致作動器外泄漏量略大；（5）液壓和電器接口固定，不隨作動器一起運動，連接方便；（6）占用空間小，適合于薄機翼后緣舵面驅(qū)動使用。圖3所示。

圖4 點對點式作動器

點對點式作動器特點為：（1）重量相對較小；（2）作動器剛度大；（3）抑制舵面顫振能力強于法蘭盤式作動器；（4）外泄漏量相對較小；（5）點對點作動器兩端的關(guān)節(jié)軸承能吸收制造安裝造成不對準(zhǔn)偏差；（6）作動器反作用力垂直于后梁腹平面，對后梁結(jié)構(gòu)受力相對不利；（7）液壓端口和電器端口隨作動器一起偏轉(zhuǎn)，需要使用旋轉(zhuǎn)接頭或軟管、螺線管等；（8）需要后梁空間足夠大，以滿足作動器偏擺的空間要求。圖4所示。

圖5 分體式作動器（REU遠程控制電子）

分體式作動器在CRJ145和B747（方向舵作動器）等飛機上已經(jīng)使用過，主要是用在安裝空間十分狹小，無法布置作動器殼體的部位。該種作動器的潛在優(yōu)勢為可以設(shè)計研發(fā)通用液壓殼體，供各舵面作動器使用。但由于殼體與活塞缸分離，增加了油路長度，導(dǎo)致作動器剛度下降約10%。因此僅在安裝空間不允許使用殼體與活塞缸集成一體的作動器時才予以考慮使用，圖5所示。

采用超臨界機翼設(shè)計時，后緣空間相對緊張，應(yīng)優(yōu)先考慮選用點對點作動器；在空間位置有限的位置（如機翼外段副翼艙）布置作動器時可適當(dāng)考慮選用成熟的法蘭盤式作動器；在上述兩種形式的作動器均無法安裝時再考慮選用分體式作動器。

3.2.2 燃油/惰化系統(tǒng)

為解決空間和油量之間的矛盾，目前大型客機多采用結(jié)構(gòu)油箱，將中央翼和外翼內(nèi)部進行防腐和密封處理，用作裝載燃油。比如B737飛機采用三油箱布局，分為1號主油箱、2號主油箱和中央油箱。在主油箱外側(cè)，一般布置通氣防溢油箱。在油箱內(nèi)布置增壓泵，采用交輸供油系統(tǒng)，可實現(xiàn)任何油箱都能向任何發(fā)動機供油。油泵采用快卸結(jié)構(gòu)，不放油即可拆卸油泵。在油箱內(nèi)采用引射泵，借助增壓泵的動力流，可將死區(qū)（一般位于油箱較低處）的油液引射到增壓泵的進口，保證不可用燃油量最小。

現(xiàn)代民用大型飛機必須加裝惰化系統(tǒng)，主要是為了滿足CAAC、FAA和EASE的最新條例及其修正案提出的對燃油箱可燃性暴露的新要求。在機翼油箱中加入惰化氣體，使油箱液面上方的氧氣濃度滿足適航條例規(guī)定的安全值，以防止油箱發(fā)生爆炸。惰化系統(tǒng)的管路基本位于油箱內(nèi)，主要考慮與油箱內(nèi)其他管線路的間隙要求。

對翼吊發(fā)動機布局的機翼而言，發(fā)動機發(fā)生轉(zhuǎn)子非包容性爆破極有可能會擊穿油箱，對飛機的安全性造成很大的危害，所以通過在機翼上設(shè)置干艙，可以有效的阻止危害飛機安全的事故發(fā)生。干艙就是油箱中的一塊隔艙，與周圍完全隔離，里面沒有燃油，可以保證油箱的完整性。干艙可以防止碎片擊穿油箱后，燃油滴落到發(fā)動機火區(qū)之上造成火災(zāi)。干艙的劃分與動力系統(tǒng)的構(gòu)造、機翼外形、機翼結(jié)構(gòu)、機翼油箱劃分、短艙的安裝位置、安裝姿態(tài)和動力系統(tǒng)本體相對于短艙的位置、以及轉(zhuǎn)子站位等有關(guān)，同時其體積的大小還對全機油箱的容積有一定的影響，故干艙體積不能太大，否則會影響到全機的油量。

3.2.3 氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)的高壓導(dǎo)管穿過機翼協(xié)調(diào)區(qū)，是連接氣源和下游用氣用戶的橋梁和紐帶。高壓導(dǎo)管中流動的是高溫高壓空氣，導(dǎo)管的泄漏或損壞不僅影響氣源系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，而且會給飛機結(jié)構(gòu)和其他系統(tǒng)帶來安全隱患，因此需在高壓導(dǎo)管表面包覆隔熱層，同時沿高壓導(dǎo)管走向上需安裝引氣泄漏過熱探測系統(tǒng)，故管路直徑比較大。布置時，主要考慮高溫高壓氣體對周圍設(shè)備和結(jié)構(gòu)的影響。高壓導(dǎo)管在熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、飛機加速度、機體振動和變形等多種復(fù)雜載荷作用下，會產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)變形和位移，布置時要考慮和周圍設(shè)備結(jié)構(gòu)的間隙要求。

3.2.4 防冰系統(tǒng)

現(xiàn)役民用大型飛機防冰系統(tǒng)普遍使用的是熱氣對左右機翼的前緣縫翼進行防冰。防冰系統(tǒng)在機翼主要布置伸縮管、笛形管、溫度傳感器、防冰引氣管和防冰活門。從發(fā)動機引出的氣經(jīng)過防冰引氣高壓導(dǎo)管和可伸縮管段輸送到機翼前緣“D”形腔內(nèi)的笛形管，通過笛形管上分布的小孔將熱氣噴到整個前緣加熱蒙皮表面進行防冰。類似氣源系統(tǒng)的高壓導(dǎo)管，布置時也要考慮對周圍設(shè)備和結(jié)構(gòu)的熱影響和間隙要求。

3.2.5 液壓系統(tǒng)

現(xiàn)代民用大型飛機液壓系統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)架一般由三套相互獨立的子系統(tǒng)組成，為飛機上的液壓用戶提供壓力和流量。機翼上的液壓用戶主要包括擾流板作動器、副翼作動器等（大型飛機通常還包括襟翼、縫翼）如圖6所示[4]。

將所有的液壓管路均沿機翼后緣布置是傳統(tǒng)方式的布置，但對超薄型機翼而言，由于機翼后緣空間非常狹小。以某型民用飛機為例，其超薄翼型的后梁與后緣之間距離僅為104mm，與同類機種相同位置200～300mm的距離相比非常狹小，無法提供足夠的空間以滿足3套系統(tǒng)導(dǎo)管集中敷設(shè)的傳統(tǒng)方式的要求。2套液壓系統(tǒng)進入機翼燃油箱內(nèi)部的方案，其中一套液壓系統(tǒng)沿機翼后緣敷設(shè)。液壓系統(tǒng)布置在機翼油箱內(nèi)可借助機翼結(jié)構(gòu)達到保護機翼內(nèi)部液壓系統(tǒng)的功能，既解決了布置空間狹小的問題，還具有系統(tǒng)隔離、提高系統(tǒng)可靠性的優(yōu)勢。

圖6 某型飛機機翼區(qū)液壓用戶配置

3.2.6 電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）

電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）是指安裝在飛機任何區(qū)域的各種電線、布線器件、或它們的組合，包含端接器件在內(nèi)，用來在兩個或多個預(yù)制端接點之間傳輸電能。類似于液壓系統(tǒng)的功能，主要為飛機上的用電設(shè)備提供能源。一般在機翼前緣和后緣，沿結(jié)構(gòu)減輕孔，設(shè)置左右對稱的線束主通道，見圖7。

圖7 機翼線束主通道設(shè)置示意圖

對于翼吊形式的短艙，還需要考慮饋電線（1G、2G）和發(fā)動機信號線的布置，一般通過發(fā)電機向上進入吊掛，沿吊掛敷設(shè)至機翼后緣，再穿過機身隔框進入機身的主配電設(shè)備。布置的時候，還需要考慮饋電線對信號線的電磁干擾和周圍發(fā)熱的引氣管路對電纜的影響，如圖8。

圖8 機翼和吊掛區(qū)域線束主通道設(shè)置

對于機翼油箱內(nèi)部的用電設(shè)備，比如，燃油量指示系統(tǒng)（FQIS）的燃油遠程數(shù)據(jù)集中器（FRDC），一般布置左右對稱的燃油測量線束組件通道，如圖9所示。

圖9 燃油測量線束組件的通道設(shè)置

4 機翼系統(tǒng)布置舉例

本節(jié)主要對某大型客機機翼后緣系統(tǒng)布置進行舉例，機翼后緣主要包括機翼后梁之后的所有機翼結(jié)構(gòu)部分和空間（不包括主起落架艙的部分），主要包括襟翼艙、襟翼、襟翼滑軌、主起落架三角區(qū)、擾流板、副翼艙、副翼和翼稍小翼后緣。機翼后緣協(xié)調(diào)區(qū)主要涉及飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和EWIS系統(tǒng)等。如圖10所示。

圖10 機翼后緣系統(tǒng)布置總覽

飛控系統(tǒng)采用電傳形式，由于后緣襟翼作動系統(tǒng)有多個作動器和若干根扭力管，貫穿整個機翼后緣，襟翼作動器固定在襟翼滑軌機構(gòu)上，作動器之間通過扭力管相連，扭力管不能彎曲，相鄰兩根扭力管之間有夾角限制，所以應(yīng)首先確定飛控系統(tǒng)的位置。

將襟翼作動器固定在襟翼滑軌機構(gòu)上，將連接作動器的扭力管靠近機翼后梁和下蒙皮布置，將擾流板作動器布置于扭力管上方，滿足襟翼運動的實現(xiàn)，避免與襟翼翼面、扭力管和周圍液壓、電纜的干涉，同時也為其他設(shè)備讓出布置空間和運動空間。在外側(cè)襟翼布置空間狹小的地方，為滿足布置間隙要求，一般采用小直徑的鋼制扭力管。

液壓系統(tǒng)是為機翼前后緣用戶提供液壓能源的，和飛控作動器相連，液壓系統(tǒng)管路貫穿整個機翼后緣，由液壓附件艙進入機翼，主起三角區(qū)的液壓管路靠近機翼后梁和輔助梁布置，離開主起三角區(qū)后沿機翼中段后梁一直到副翼艙的機翼外段后梁，液壓管路布置在襟翼扭力管之上，在擾流板作動器安裝的地方，液壓管繞到擾流板作動器的后面通過。

類似于液壓系統(tǒng)，EWIS系統(tǒng)是為機翼前后緣用戶提供電能源的，主要為擾流板作動器、副翼作動器、襟翼翼尖剎車等部件提供電信號，EWIS線束通道貫穿整個機翼后緣，布置時需要考慮將電纜布置在液壓管路的上方，在與具有運動功能的作動器連接時，嚴(yán)格控制電纜的伸縮量，由于電纜是軟體，布置時主要穿插在設(shè)備和硬管周圍空余的地方，盡量和周圍結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管路保持足夠的間隙。

5 總結(jié)

在布置過程中做到以適航要求為設(shè)計基礎(chǔ)，充分考慮了從布置上減重減阻，從布置上實現(xiàn)飛機性能的最優(yōu)，同時做好空間的合理需求與合理分配，以滿足飛機的總體要求。機翼布置設(shè)計是一個綜合協(xié)調(diào)、優(yōu)化迭代的過程，需要多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，只有實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的布置和氣動參數(shù)優(yōu)化迭代才能完成最優(yōu)意義上的機翼布置。同時在系統(tǒng)設(shè)備的布置時需仔細(xì)研究相關(guān)適航條款，以確保飛機的設(shè)計能夠順利取證并投入運營。

【參考文獻】

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[3]陳閔葉，么嬈，編.飛機系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社.

[4]肖翔，夏語冰，姜逸民，鄭占君，戴攀.超薄翼型上液壓系統(tǒng)布置的設(shè)計分析[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010：No.4.

[責(zé)任編輯：王楠]