民用飛機艙門提升原理分析研究

楊小軍

摘 要：本文討論了登機門在大型商用客機設計中的重要地位，通過對目前主流大型商用客機登機門開啟方式的研究，引出提升平移外開式艙門設計的難點，即艙門提升原理分析及確定，并使用Matlab軟件編寫程序，使艙門提升這一過程參數(shù)化及可視化，可方便的應用于同類型艙門的設計過程中。

關(guān)鍵詞：民機；艙門；四連桿機構(gòu)；Matlab

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.242

1 引言

客艙登機門不僅是飛機中功能復雜，安全性高，適航約束多的部件，而且作為飛機中經(jīng)常使用的，功能性非常明顯，且機組人員經(jīng)常操作的部件，其設計好壞直接影響運營人和旅客對于飛機的評價，影響飛機的商業(yè)前景。因此登機門設計的成功不僅有利于飛機的適航取證，對飛機的商業(yè)成功也至關(guān)重要。

目前主流大型商用客機的登機門普遍采用提升平移外開的打開方式，提升過程的分析及確定對于艙門設計至關(guān)重要。本文利用四連桿機構(gòu)對于登機門提升過程進行簡化，并編制Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了提升過程的參數(shù)化及可視化。

2 主流登機門開啟方式

在民用航空發(fā)展的歷程中，登機門的設計幾經(jīng)更迭。目前，主流大型商用客機的登機門主要有以下三種開啟的運動形式。

第一為波音B737飛機登機門采用的內(nèi)收扭轉(zhuǎn)開啟方式，艙門初始運動為向內(nèi)并扭轉(zhuǎn)一定角度，之后向外翻轉(zhuǎn)打開約180°。

第二是空客A320飛機登機門采用的提升平移外開方式，即艙門初始運動向上提升，然后向航向前方平移打開。

第三是在波音B767飛機上采用的登機門開啟方式，艙門向上劃入客艙天花板，留出凈開口空間。

以上三種類型的艙門，因其裝備的波音和空客各型商用飛機的成功，均在其服役期間被證明是滿足適航和客戶雙向需求的優(yōu)異設計。航空工業(yè)的發(fā)展促進著適航條款的不斷完善，同時，不斷修訂的適航條款與市場的需求又推動著航空工業(yè)創(chuàng)新不止。曾經(jīng)被波音B737和B767采用的登機門開啟形式均已淪為少數(shù)。目前，空客家族飛機上普遍采用的提升平移外開式的艙門被證明是最先進和最為市場認可的設計。

3 艙門提升原理

（1）艙門提升機構(gòu)簡介。典型的提升平移外開式艙門的提升機構(gòu)如下圖 1所示。鉸鏈臂一側(cè)與機身結(jié)構(gòu)相連，一側(cè)通過上下提升臂與門結(jié)構(gòu)連接。

提升是艙門運動的第一步，提升是為了讓安裝在艙門上的止動塊與門框上的止動塊互相錯開，后續(xù)艙門才能從門框被平移推開，讓出凈開口空間。

為防止艙門提升時與機身結(jié)構(gòu)干涉，沿艙門外形曲線提升的方案為滿足功能需求的最佳設計。

（2）提升過程參數(shù)化。圖 1所示的登機艙門提升機構(gòu)，可簡化為下圖 2。

其中：

鉸鏈臂在艙門提升過程中相對于提升方向無位移，因此ABCD組成的四連桿機構(gòu)，在AB或CD上施加繞其與鉸鏈臂連接點處順時針的驅(qū)動力矩均可實現(xiàn)EF的提升運動。

同時，曲線提升轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達的參數(shù)，即艙門蒙皮上的n個點，P1，P2…Pi…Pn，在提升的每一步，這n個點均對應一個新的位置，P1，P2…Pi…Pn，新的點位，到機身理論外形之間的距離分別為：d1，d2…di…dn。最理想的提升曲線必須保證d1，d2…di…dn均為正值，且其方差最小。

（3）優(yōu)化目標。應用四連桿機構(gòu)的計算方法對提升運動進行求解。圖 3所示為一個平面四連桿機構(gòu)，其中，A，B，C和D點均為可轉(zhuǎn)動的鉸接連接，BCE固連在一起。

定義：

如圖 3所示，若已知輸入桿的長度|AB|，輸出桿的長度|CD|，連接桿的長度|BC|和初始角度ρ，則連接桿BC上的任一點E的軌跡可計算得出。為圖 3所示的四連桿機構(gòu)建立坐標系，并設定：

上述公式5-9中的t用來定義桿AB的輸入角度，結(jié)合桿長度|AB|，|BC|，|CD|和|DA|作為設計參數(shù)已知，則在某一時間t，上述9個公式對應的9個未知數(shù)均可得出唯一解。

4 Matlab計算模型

利用以上理論，建立Matlab模型仿真艙門提升過程。模型建立過程如下：

第一步，在幾何模型上采點。艙門結(jié)構(gòu)離散為密集的采樣點。

第二步，將第一步采樣的離散點坐標全部導入Matlab，轉(zhuǎn)化為二維的矩陣。針對AB的每一個角度，可按照圖 3所示的計算模型和公式5-1至5-9計算出輸出桿BC的角度，進而在三角形△BCE中運用簡單三角函數(shù)關(guān)系計算出來點E的新位置。

第三步，針對輸入桿AB的每一步運動，將第二部的計算過程在每個艙門結(jié)構(gòu)的離散點上進行復制，即得到所有離散點的一個新位置，所有在新位置的離散點的坐標代表了艙門結(jié)構(gòu)提升后的新位置。

第四步，針對提升運動的每一步，計算艙門蒙皮上的離散點距離機身結(jié)構(gòu)的距離。

第五步，提升結(jié)束后，計算對應時間Tn的所有采樣點到機身蒙皮之間的距離的方差。

5 計算結(jié)果及結(jié)論

針對圖 2所示提升機構(gòu)設計編制了Matlab計算程序，并且整個提升過程可以在Matlab中進行可視化仿真，如圖 4所示。

利用Matlab程序可方便進行輸入?yún)?shù)的更改，并應用于其他具有類似提升機構(gòu)的艙門，用來驗證提升機構(gòu)的設計是否合理并能實現(xiàn)預定的功能。