一種新型飛機的吊掛后緣設計

閆明鵬

（上海飛機設計研究院結構設計研究部，上海201210）

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一種新型飛機的吊掛后緣設計

閆明鵬

（上海飛機設計研究院結構設計研究部，上海201210）

摘要：新型飛機的吊掛后緣結構主要由框、梁、蒙皮組成，遠離高溫區。框和梁布置在一個腔內，便于排液和通風，同時應滿足強度、剛度、聲疲勞設計要求。

關鍵詞：吊掛；后緣；排液；聲疲勞

吊掛是飛機最重要承力結構，承擔發動機所有載荷，是全機關鍵結構件。吊掛直接懸掛發動機，工作環境惡劣，每次飛行均處于強機械振動、高溫、強聲振動環境中[1]。吊掛后緣位于吊掛后部，介于機翼和發動機尾噴口之間。它的主要功能是整流維形，一方面減少因吊掛、短艙置于機翼之下引起的擾流對機翼升力的不利影響，另一方面隔絕發動機尾噴口噴出的高溫氣體、火花等，消除對吊掛后緣內部非耐火結構、系統管路等的不利影響。吊掛后緣外形的設計兼顧氣動、結構、系統布置等因素，各方面是相互制約的。

某新型飛機吊掛后緣由發動機內涵道直接斜拉連接到機翼上，后緣角在15~20°之間，不僅有利于減小吊掛表面分離，也有利于吊掛成型。吊掛寬度相對于傳統掛架增加25%，后緣收縮快，對氣動力帶來不利影響。雖然后緣收縮可以減小摩擦阻力，但由于吊掛寬度較寬，吊掛后緣氣流急劇收縮，極容易導致氣流分離。同時后緣收縮過快，后緣內部空間嚴重不足，系統布置、結構設計面臨嚴峻挑戰。

根據飛機設計手冊和總體氣動設計要求，本文將介紹某新型飛機吊掛后緣的結構形式和設計方法。

1　設計要求

新型飛機吊掛后緣的載荷包括是自身重量和氣動載荷，這些載荷主要依靠機翼下的接頭傳至機翼[2]。根據適航要求，參考現有機型，提出新型飛機吊掛后緣的設計要求如下：

（1）吊掛后緣結構應滿足強度和剛度要求，按損傷容限準則設計，結構壽命應與飛機目標壽命相一致；

（2）吊掛后緣結構還應不影響吊掛結構的應急斷離要求，在應急著陸超載時，確保吊掛、短艙、發動機脫離機體，而不會撕裂機翼整體油箱，造成燃油泄漏，引發火災；

（3）吊掛后緣應設計成能經受發動機尾噴處火焰和發動機尾噴氣流產生的高溫；

（4）吊掛后緣材料應考慮在高溫環境下能耐高溫和耐腐蝕（包含密封件材料）；

（5）吊掛后緣中應有排水通路和密封措施，使水排出吊掛后緣結構外而不進入發動機；

（6）吊掛后緣應為系統管路或線纜提供空間通路和支持；

（7）吊掛后緣壁板上應設置系統和吊掛接頭的維護口蓋；

（8）單側重量不超過25 kg.

2　載荷分析

2.1氣動載荷

后緣的氣動載荷主要來自機翼下表面氣流、發動機短艙繞流、發動機外涵道低速氣流和內涵道高速氣流，同時受飛行狀態下陣風擾流的影響。正常飛行狀態下，經驗上后緣內外壓相差3.0 psi；在諸如大角度偏航的極限工況下，左右壓差經驗值是2.5 psi（如圖1所示）。

圖1　氣動載荷極限工況示意圖

2.2慣性載荷

吊掛結構在巡航狀態下，垂直方向過載最大為8 g（g為重力加速度）（向上最大過載6g，向下最大過載8g），側向過載最大為4.2g.后緣結構與機翼接頭的連接接頭設計與此過載一致。

3　布置方案

現新型飛機吊掛后緣方案布置下，后緣結構中各接頭受力示意如圖2所示。

圖2　布置方案

主要特點：

（1）后緣結構的重量和側向氣動載荷由1框、2框、4框、5框（沿航向依次排布）處布置的接頭承受；

（2）航向載荷主要由2框處布置的結構承受；

（3）1框下方布置角盒，提供機翼展向約束，抵消側向載荷作用在后緣上的彎矩。

4　傳力分析

氣動吸力和壓力主要作用在與航向有一定夾角的外形曲面上，因此后緣側面受到的載荷可以分解成兩個方向，一個垂直于航向，另一個沿著航向。在垂直于航向的面內，或與之平行的面內，依靠接頭承剪傳遞相關氣動載荷到機翼中實現平衡；在平行于航向的面內，載荷通過側壁板傳遞給由框和梁構成的框架，集中在2框連接的接頭上，在機翼接頭上達到力的平衡，主要載荷情況見圖3.

圖3　主要載荷

5　后緣結構組成

后緣可以分為前后兩部分，其中前部分由上部結構和下部結構兩部分構成（圖4所示）。

圖4　吊掛后緣主結構組成圖

前后緣上部結構主要由鋁合金框架結構、碳纖維側壁板組成；下部由鈦合金框架和壁板組成。后緣由鋁合金框架和碳纖維蒙皮組成。

新型飛機發動機尾噴設計優化了溫度區分布，后緣外形收縮較快，使該結構底部遠離高溫區，可以不進行高溫防火設計。

該結構主要以框、梁、蒙皮為支撐結構，遠離高溫區，框和梁布置在一個腔內，便于排液和通風設計，滿足強度、剛度設計、聲疲勞要求。傳統結構下部材料通常采用高溫合金或鈦合金，保證其高溫下的性能滿足要求。支撐結構和蒙皮全部采用低溫、比強度高的材料，不僅大幅降低了整體結構的重量，還降低了與機翼接頭的強度要求，易于剛度設計，防止聲疲勞。支撐結構中多個框前后排布，易于定位、裝配，空間開敞，檢修可達性強；上梁分成多段，連接框與上蒙皮。優化后的上梁減低了上蒙皮懸伸量，增加剛度于拆卸、更換；下梁也分成多段，連接框與下蒙皮。下梁位置優化后，下蒙皮尺寸和懸伸量減小。蒙皮分塊可以根據內部重要件檢修要求，易于更換，提高了經濟性。其中，后蒙皮和下蒙皮分別作為一個整體，連接至主結構，易于拆卸和更換。

與現有技術相比，有以下優點：一是，整體結構遠離高溫區，框和梁布置在一個腔內，便于排液和通風設計；二是，支撐結構和蒙皮全部采用低溫、比強度高的材料，不僅大幅降低了整體結構的重量，還降低了與機翼接頭的強度要求，便于剛度設計，防止聲疲勞；三是，多個框前后排布，易于定位、裝配，空間開敞，增強了檢修可達性。

參考文獻：

[1]章仕彪.民用運輸機吊掛設計強度要求研究[J].民用飛機設計與研究，2012，（01）:37-42.

[2]孫濱，林鴻志，譚偉，等.發動機吊掛與機翼連接接頭強度分析與試驗[J].航空工程進展，2012，（03）:48-53.

中圖分類號:V268.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0092-03

收稿日期：2016-01-29

作者簡介：閆明鵬（1986-），男，河南人，工程碩士，工程師，研究方向：民用飛機吊掛結構設計。

A New Aircraft’s Pylon Afterfairing Design

YAN Ming-peng
（Shanghai Aircraft Design and Research Insititute Structure Design and Research Departement，Shanghai 201210，China）

Abstract：The new aircraft’s pylon afterfairing，which is far away from high-temperature area is assembled by frames，beams and skins.Frames and beams is lay in a cavity，which is designed for drainage and ventilation and is satisfied by strength，rigidity and acoustic fatigue’s design requirements.

Key words:pylon；afterfairing；drainage；acoustic fatigue