民用飛機艙門設計各階段要點研究

吳 寧

（中國商用飛機有限責任公司，上海 200336）

1 飛機概念階段

從市場調研和顧客對飛機的要求捕捉出對艙門使用、維護要求，形成艙門的頂層設計要求。在此階段，設計人員主要通過艙門布置、艙門形式、開啟方式、可用空間等多種設計概念進行對比論證。

1.1 艙門布置

艙門布置時，首先要確定前后登機門、前后服務門、貨艙門的數量、位置、大小，其次考慮其他應急門，再根據機身上安裝設備的維護情況，需要設置電子設備艙門、APU維護門、其他維護艙門。登機門作為出入客艙的艙門，在布置時要考慮滿足人員出入飛機的舒適性、方便性，同時登機門一般兼作應急出口，還要滿足CCAR25部關于應急出口布置的要求。布置應急出口就是確定應急出口的數量、尺寸、位置的過程。應急撤離的目標是：即使在飛機姿態非正常等情況下，90s內盡快將所有乘客與機組人員從機艙安全撤離到地面或水面。應急出口的設置應嚴格按照CCAR25第25.807條和25.809條款要求。貨艙門應根據飛機裝載能力，使最大可行尺寸的包裝箱進出，并便于裝運各種不同的規格、不同種類的盡可能多的貨物。對于民航客機，由于登機門一般位于航向左側，為了便于人、貨分流，一般貨艙門布置在飛機右側。艙門的布置注意點：1）艙門不宜緊靠機身結構分離面；2）艙門不宜靠近與機翼前、后梁連接的框布置；3）艙門布置不宜改變機身原來的框距；4）艙門布置需考慮在使用時，不能與飛機周圍保證車輛的使用發生沖突。

1.2 艙門形式

艙門形式分為堵塞式、半堵塞式和非堵塞式。堵塞式和半堵塞式艙門只承受內部壓力或座艙壓力，非堵塞式艙門除承受內部壓力外還承受機身剪力。無論堵塞式艙門還是非堵塞式艙門，壓差引起的載荷均由艙門骨架和艙門蒙皮共同承受。

1.3 開啟方式和可用空間

開啟方式的選擇是指手動操縱開啟或者動力驅動的選擇，是內開式還是外開式的選擇、是側翻還是平移開啟的選擇。開啟方式的選擇要從滿足艙門功能的需求出發，綜合考慮技術的可實現性、風險與研制成本。

2 初步設計階段

根據艙門的頂層設計要求，結合適航條款要求，形成各艙門的設計要求；初步確定各艙門的總體布置、尺寸大小、開啟方式與機構原理設計方案，進行艙門結構初步布置；初步確定艙門材料選用方案；初步確定艙門密封帶的形式和材料；開展各艙門的功能危害分析（FHA）和初步系統安全性評估（PSSA）；開展選型試驗。

2.1 機構交點位置協調與定義

艙門總體方案確定后，根據艙門的特征位置，就可開展艙門機構布置和機構交點位置協調設計，主要考慮因素：1）機構的功能要求，如艙門的運動方式，鎖定/解鎖邏輯，手動或動力操作方式，是否需要從內外兩側操作手柄，在結冰情況下艙門能否開啟，是否設置增壓預防裝置，是否設置防人為惡意開門的裝置等；2）機構的性能參數要求，如需要轉動的角度、平移的距離、手柄力大小和開啟時間等。最大手柄力不大于50 lbf（222 N）；3）艙門的安全性設計要求，上閂和上鎖邏輯，解鎖和解閂邏輯，作為應急門使用的艙門開艙門工作簡單明了，手柄初始運動軌跡向上，機構的撓度設計（過死點設計）等；4）艙門的人機工程要求，在手柄的全行程內，手柄的高度應在門檻上762 mm～1 397 mm；手柄在行程內運動要求平緩連續，不得突然改變手柄力的大小與運動方向，并且手柄的轉動角度不得大于 180°。

2.2 艙門結構方案設計

艙門結構方案設計包括對結構形式的選擇，對不同結構方案的比較與選定，對主要結構的位置和幾何尺寸的綜合協調及確定，主要考慮因素：1）艙門按主要材料可分為金屬結構方案和復合材料結構方案。目前大多數運輸機的艙門均采用金屬結構方案，此方案又可分為3種類型：鈑金組合件為主、機加件為主、整體鑄造；2）橫縱向構件布置（平行于框為橫向件，垂直于框為縱向件），為滿足艙門在強度和剛度方面的要求，艙門結構需要根據艙門自身尺寸布置若干縱向構件和橫向構件。

2.3 艙門密封形式定義

艙門密封性是艙門密封結構設計的各個方面表現出來的一種綜合特性。密封結構形式、密封帶截面尺寸、壓縮量大小、密封帶材料特性和增強織物等直接影響艙門的密封性。

2.4 密封帶選材

適用于艙門密封帶的橡膠材料常用的有以下幾種：硅橡膠、乙丙橡膠、氟硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠和氯丁橡膠等。

3 詳細設計階段

根據艙門的頂層設計要求，分別提出各艙門的結構、機構組件的設計要求；明確艙門選用何種動力源；確定應急滑梯包安裝、內裝飾布置等；確定艙門的顯示告警形式；開展艙門機構初步運動學、動力學仿真分析；開展艙門強度、剛度計算；開展密封條仿真分析；開展各艙門的故障樹分析（FTA），故障模式、影響及危害性分析（FMECA），共因故障分析（CCA）等艙門可靠性、安全性初步分析及維修性初步分析。

3.1 運動學仿真分析

運動學仿真能夠使設計人員清楚地了解每個構件在運動過程中與其他構件的運動間隙、干涉等情況，應盡早啟動運動學分析，這樣在機構打樣過程中或更早的時期便可發現機構運動可能存在的干涉或空間不足等問題，在此期間也有必要與其他專業充分協調，避免機構運動間隙留的不足。

3.2 動力學仿真分析

通過建立多體動力學模型，將艙門機構中各個構件通過運動副連接起來，確保它們在實際工況下，眾多構件間的相互作用和運動關系與設計一致，得到各構件各環節的受力情況，判斷機構原理、交點布置、桿系比例等是否合理。

3.3 密封帶仿真分析

典型的橡膠材料應力應變特性表現出彈性和高度非線性稱為超彈性。超彈性材料受力時可以保持彈性變形直至大應變值。有限元軟件在模擬橡膠等超彈性材料時，一般作如下假定：

材料為彈性。

材料為各向同性。

材料默認為不可壓縮。

模擬將包括幾何非線性。

3.4 功能性研發試驗

對于新型、未證實過的艙門設計，應開展全尺寸的功能性研發試驗，包括密封性能、增壓變形、手柄力、正常開啟關閉功能、應急開啟關閉功能、飛行鎖系統功能、結冰開門和淋雨等試驗。

3.5 結構優化設計

艙門結構優化主要包括艙門骨架的布置優化與零、組件的設計優化。艙門骨架的布置優化與艙門尺寸、開啟方式、形式及機構交點的布置關系密切，在保證機構安裝和必要的強度、剛度的前提下，要盡可能保證設計簡潔、傳力路線明確。

3.6 機構優化設計

艙門機構優化一般通過機構交點調整、載荷元件的變形與預緊力設定、運動副摩擦力控制、彈簧力與扭矩值的變化，以及艙門安裝精度控制等方面進行，通常借助優化軟件進行多體動力學仿真分析，得到影響機構特性的關鍵要素。

3.7 強度、剛度分析

強度分析：根據艙門結構的特點，應主要校核5種結構形式：（1）蒙皮；（2）縱梁、橫梁；（3）典型連接；（4）耳片（5）手柄。

剛度分析：艙門的變形要符合標準，并且與門框的彈性變形基本協調。在正常使用過程中，艙門不允許出現永久變形，以便保證密封可靠，機構工作正常。

3.8 安裝與調整技術要求編制

編制艙門安裝與調整技術要求是艙門設計工作的延伸，目的是指導工藝、制造部門按照合適的程序和正確的方法將艙門安裝與調整到位，實現艙門各項預定的功能。主要內容包括：1）艙門安裝姿態的調整方法。2）艙門與口框的間隙、階差的調整方法。3）艙門機構的調整方法。4）艙門安裝與調整后的檢查要求等。

4 結語

該文主要依據相關適航標準，就民用飛機艙門設計工作進行了梳理，對飛機總體定義、艙門初步設計、詳細設計各階段工作要點進行了研究，提供了民用飛機艙門設計的工作參考。然而對相關機型艙門設計工作的深入研究仍在繼續，且國內民機研制工作尚處于不斷探索的過程中，因此結合艙門設計工作實際對于該文所提供的方向進行深入研究十分必要，也將作為對該文觀點的驗證和完善。