淺談民用飛機尾翼前緣結構設計

王迪　張正禮

【摘 要】本文以民用飛機尾翼前緣結構的功能性要求為原則，討論了尾翼前緣結構形式選擇、尾翼前緣結構抗鳥撞設計以及尾翼前緣迎風面防護三個問題。通過對比分析，認為組合式前緣結構形式在抗鳥撞性能和可維護性方面優于獨立式前緣結構形式。在尾翼前緣抗鳥撞設計和迎風面風蝕防護方面，結合對國外兩家公司民用飛機尾翼前緣結構設計上異同的對比分析，提出了一些建議，供結構設計人員參考。

【關鍵詞】民用飛機；尾翼前緣；結構設計；鳥撞

0 前言

民用飛機尾翼分為水平安定面、升降舵、垂直安定面和方向舵。其中，水平安定面及垂直安定面的結構通常由主承力翼盒、前緣和后緣組成，以前、后梁為界劃分。尾翼前緣結構的主要功能是維持氣動外形、傳遞前緣部分的氣動載荷、抗鳥撞以及安裝容納系統設備等。因此，尾翼前緣結構設計需滿足以下基本要求：（1）剛度要求：需保證在氣動力作用下結構變形控制在一定限度內，以維持安定面良好的氣動特性。（2）抗鳥撞要求：CCAR/FAR-25適航規章對尾翼的抗鳥撞要求比機翼更為嚴苛，尾翼前緣需具備足夠的抗鳥撞性能。（3）設備維護要求：尾翼前緣內部通常布置有液壓管路、電氣線路和通信設備等系統件，前緣結構需為這些系統設備留出一定的可拆卸維護口蓋和相對開敞的操作空間。（4）結構可靠性和維修性要求：尾翼前緣的迎風面易受風蝕和外來物損傷，結構設計需盡量限制損傷的程度和危害，并且具備良好的結構維修性。

本文以上述四個基本要求為原則，針對尾翼前緣結構形式的選擇、尾翼前緣結構抗鳥撞設計以及尾翼前緣迎風面防護三個問題進行討論，比較和分析國外波音和空客兩家公司設計的異同，為結構設計人員提供參考。

1 民用飛機尾翼前緣結構形式

尾翼前緣位于水平、垂直安定面前梁的前方，屬于非主承力構件，除承受部分氣動載荷、慣性載荷和系統載荷外，還應滿足抗鳥撞要求。因此前緣結構形式的選擇一方面取決于尾翼安定面整體結構形式，另一方面需兼顧抗鳥撞設計和系統維護性等。

目前主流民用飛機的尾翼安定面結構形式主要有“單閉室”和“雙閉室”兩種[1]。“單閉室”是指由雙梁（或多梁）、翼肋和加筋壁板組成的主承力翼盒，前緣由蒙皮和密集的肋組成，并直接與主承力翼盒相連。“雙閉室”由主承力翼盒及其前方的輔助扭力翼盒組成，輔助扭力翼盒又稱前緣艙，其后方與主承力翼盒前梁相連，前部設置一根輔助梁（前緣梁），輔助梁前方則連接前緣蒙皮（前緣壁板）。“雙閉室”安定面中的前緣艙與前緣壁板可并稱“組合式前緣”；與之相對應，可將“單閉室”安定面的前緣稱為“獨立式前緣”。

獨立式前緣結構相對簡單，蒙皮分塊少，便于結構裝配。然而，考慮到內部系統設備的維護性，需在蒙皮上開設局部維護口蓋，否則一旦設備需要維護就需將可卸前緣整體拆下。

組合式前緣雖然結構相對復雜，蒙皮分塊多，但前緣艙的設計使系統設備維護更為靈活，操作空間也更大，并且一旦有蒙皮發生損傷時不需更換整個前緣。更重要的是，前緣輔助梁在前緣壁板之后為抗鳥撞提供了又一道屏障，能更有效地保護主承力翼盒。

對于大型民用飛機，出于對抗鳥撞性能和維護性的綜合考量，組合式尾翼前緣更優。國內某型飛機研制過程中的垂尾前緣鳥撞試驗表明，相比獨立式前緣，采用組合式前緣在保證適航條款對抗鳥撞要求的同時具有重量優勢[1]。波音公司的系列機型中，除早期窄體737客機外，747、757、767、777和787飛機均采用組合式尾翼前緣。

2 民用飛機尾翼前緣抗鳥撞設計

鳥撞是民航運輸安全的重要威脅之一，目前歐洲CS 25.631適航條款對運輸類飛機尾翼結構要求能承受1.8kg鳥撞擊，而中、美兩國的CCAR/FAR 25.631適航條款則更是將這一要求提高到3.6kg鳥撞擊[2]。因此，抗鳥撞性能是民用飛機尾翼前緣結構設計的重點，也是難點。

從結構設計的角度，提高抗鳥撞性能的核心是解決“吸能”與“散能”問題[3]。

“吸能”是指通過選取吸能效果較好的材料，盡可能地吸收鳥體撞擊能量。目前主流民用飛機為中常用蜂窩夾層、泡沫夾層和GLARE層板等作為尾翼前緣吸能壁板的材料。波音757、767和777飛機平、垂尾前緣壁板采用鋁合金面板+鋁蜂窩芯的夾層結構，787-8飛機則采用外層鋁合金蒙皮與內層玻璃纖維復合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層共膠接的混雜結構前緣壁板。空客A320、A330和A340飛機平、垂尾前緣壁板采用碳纖維復合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層結構，A380飛機平、垂尾前緣則采用了GLARE層板。相關研究表明[4]，相比單純采用鋁合金蒙皮，采用金屬面板蜂窩夾層壁板、復合材料面板蜂窩夾層壁板和GLARE層板吸能效率更高，且重量更輕。

“散能”是指通過采用一定的結構形式使鳥體撞擊后直接分離，將大部分鳥體能量散去。Li[5]等提出一種三角形加強結構的尾翼前緣抗鳥撞設計。當前緣遭受鳥體撞擊時，安裝在前緣結構內部的等腰三角形金屬加強板可起到切割鳥體的作用，使鳥體沿加強板兩側分離，從而避免其穿透前緣以至于破壞主盒段前梁。這種抗鳥撞結構形式適用于前緣翼型曲率較大的尾翼，若翼型曲率較小則三角形頂角偏大而前端不夠“鋒利”，不能有效起到分離鳥體的作用。目前，這一設計思路已在國內某型飛機的平尾前緣設計中得到應用。

需指出的是，“吸能”與“散能”這兩種設計思路并不沖突，如何將這兩者相結合以應用于尾翼前緣結構的抗鳥撞設計，是設計人員需考慮的。

3 民用飛機尾翼前緣迎風面防護

在民用飛機長期服役過程中，尾翼前緣持續受到氣流中的塵埃、雨點等的吹蝕和磨蝕作用，易產生輕則漆層脫落、重則蒙皮表面磨損甚至穿孔，這一現象被稱為風蝕損傷。國內航空公司的波音737飛機就曾發生因垂尾前緣高頻天線一體化蒙皮風蝕受損而導致AOG停場造成的損失[6]。因此，在設計過程中需考慮尾翼前緣迎風面的防風蝕措施。

波音系列機型的尾翼前緣迎風面蒙皮材料通常為鋁合金包鋁板，表面通過聚氨酯防侵蝕涂層或防護帶進行保護。空客系列機型的尾翼前緣蒙皮材料多為碳纖維復合材料，易受風蝕損傷，因此在蒙皮迎風面的前端加裝了專用于防侵蝕的不銹鋼防護板。

通過防護措施可減輕前緣迎風面風蝕損傷的程度及其危害，減少運營維護成本。需指出的是，風蝕本質上是不可避免的，結構設計時需考慮防護措施本身的維修性和可更換性。

4 結語

本文針對民用飛機尾翼前緣結構設計的三個問題，提出以下結論和建議，以供結構設計人員參考：

（1）對于大型民用飛機尾翼結構而言，由前緣壁板和前緣艙組成的組合式前緣相比獨立式前緣具有更好的抗鳥撞性能和設備維護性，為較優的結構形式。

（2）抗鳥撞性能是民用飛機尾翼前緣結構設計的重點和難點，“吸能”和“散能”是抗鳥撞的主要機理，前者通過引入吸能材料吸收鳥撞能量，后者通過一定的結構特征分離鳥撞能量。如何將兩者結合應用是設計人員需考慮的。

（3）良好的尾翼前緣迎風面風蝕防護可提升結構的可靠性，降低運營維護成本。在進行防護設計時需考慮防護措施本身的維修性和可更換性。

【參考文獻】

[1]李洪昌.民用飛機垂直安定面結構型式分析[J].科技創新導報，2014，25：71.

[2]張柱國.運輸類飛機鳥撞及符合性驗證綜述[J].航空科學技術，2013，6：1.

[3]宋春艷，朱廣榮.大型民機復雜結構抗鳥撞動力學分析與世行驗證技術研究[A].第十屆全國振動理論及應用學術會議論文集，2011：1106.

[4]劉永強，王向盈，唐長紅，馮震宙，黃超廣.四種飛機蒙皮材料抗鳥撞性能對比研究[J].航空材料學報，2015，35（5）.

[5]Li et al.Tail Capable of Improving Anti-Bird Strike Performance of Aircraft：US，8746619B2[P].2014-06-10.

[6]張唐頌，李中柱.波音737飛機垂尾高頻天線前緣風蝕的預防與修理[J].航空維修與工程，2016，11：101.

[責任編輯：朱麗娜]endprint