全動舵面結構形式淺析

夏彥朋，方志曉，張 華，冷旻衠

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

為改善飛行器大迎角、超音速飛行時的機動控制能力，全動舵面成為先進飛行器的主要控制舵面，用以提高舵面操縱氣動效率，如鴨翼、全動平尾、全動垂尾等。在三代機中，F-16、Su-27系列飛機采用全動平尾，歐洲EF-2000“臺風”戰機、殲10等型號采用鴨翼，四代機中，F-22及Su-57等型號采用全動垂尾及全動平尾。本文整理出了國內外主流戰機的全動舵面結構，并分別對其傳力路徑進行分析，為全動舵面的結構設計提供參考。

1 主流戰機全動舵面結構分析

1.1 F-16飛機全動平尾

該戰機全動平尾有兩種結構，一種為單梁全高度蜂窩夾芯結構；一種為波紋板梁式結構。

圖1是F-16飛機全高度蜂窩夾芯結構示意圖。它由碳/環氧樹脂復合材料蒙皮、鈦合金轉軸梁、根肋、全高度蜂窩芯、玻璃鋼前后緣及不銹鋼包邊等組成。轉軸梁采用鈦合金整體鍛件機械加工而成，轉軸梁在根肋內側為一錐形管，自根肋開始變成“工”字梁。根肋分前后兩段，均由鈦合金制成，在膠接前焊接到轉軸梁上。全高度蜂窩芯材采用鋁制。上述零件膠接成全動平尾。

圖1 全高度蜂窩夾芯結構示意圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，梁緣條傳遞較少；剪力由夾芯、肋腹板、梁腹板傳遞；扭矩由蒙皮及前尾緣組成的閉室傳遞。所有載荷經單軸傳遞到機身上。

圖2是F-16全動平尾波紋板梁式結構方案示意圖。它由碳/環氧樹脂復合材料蒙皮、鋁合金轉軸梁、根肋、波紋板梁/普通墻、蜂窩夾層結構前緣所組成。該結構方案是一種低成本設計方案，用鋁合金代替了鈦合金，用鋁波紋板代替了蜂窩芯，用鉚接代替膠接，這些措施都能大大降低成本并穩定產品制造質量，F-16后期生產的飛機，特別是出口型飛機大都采用這種結構。

圖2 波紋板多墻式結構方案示意圖

該結構的傳力情況：彎矩由厚蒙皮傳遞，剪力由肋腹板及梁墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。

1.2 某型機鴨翼

圖3是某型機鴨翼單梁全高度蜂窩夾芯結構示意圖。它由上下蒙皮、盒式梁、轉軸梁、全高度蜂窩、前緣、根肋、后緣、翼尖等部分構成。

圖3 某型機鴨翼結構方案示意圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，梁緣條傳遞較少；剪力由夾芯、肋腹板、梁腹板傳遞；扭矩由蒙皮、盒式梁及前尾緣組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。

1.3 歐洲EF-2000“臺風”戰機鴨翼

圖4是歐洲EF-2000“臺風”戰機鴨翼多墻式結構示意圖。它由上下蒙皮、墻、轉軸、根肋、前緣等部分構成。

圖4 歐洲EF-2000結構方案示意圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。根部為提高扭轉剛度，采用加強端肋。

1.4 Su-30MK飛機全動平尾

圖5是Su-30MK飛機全動平尾結構示意圖。它由上下加筋壁板、雙梁、根部加強肋及普通肋等部分機械連接而成。

圖5 Su-30MK飛機局部圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由加筋壁板傳遞，小部分由梁緣條傳遞；剪力由肋腹板及梁腹板傳遞；扭矩由根部雙梁、加強肋及壁板組成的扭力盒，以及梁與蒙皮組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。

1.5 F-14“熊貓”戰機全動平尾

圖6、圖7為F-14“熊貓”戰機全動平尾的結構示意圖，主體上，其為多墻式結構。它由蒙皮、根部盒型件、加強肋、外段多墻式結構及前尾緣全高度蜂窩夾芯結構組成。

圖6 “熊貓”戰機全動平尾裝配示意圖

圖7 “熊貓”戰機全動平尾結構示意圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由根部加強扭力盒以及蒙皮、墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。

1.6 F-35全動平尾

圖8為F-35全機結構示意圖，其采用全動平尾，平尾結構形式為厚蒙皮多墻式結構。

圖8 F-35飛機全機結構示意圖

該結構的傳力情況：彎矩基本由厚蒙皮傳遞，小部分由墻緣條傳遞；剪力由肋腹板及墻腹板傳遞；扭矩由蒙皮、根部加強肋及墻組成的閉室傳遞。彎矩及剪力經單軸傳遞到機身上，扭矩由搖臂提供的支反力來平衡，搖臂上的載荷經舵機傳遞至機身上。

1.7 F-22全動平尾

圖9為F-22飛機局部結構示意圖，圖中所示平尾由根部骨架式結構及外段單梁全高度蜂窩結構組成。根部載荷較大且翼型高度相對較大，采用骨架式結構，以增加平尾的扭轉剛度，將平尾上的彎矩、扭矩及剪力傳到轉軸上。平尾上的載荷經搖臂與轉軸傳至機身上。

圖9 F-22飛機局部結構示意圖

2 結論

當前主流戰機采用的全動舵面結構形式有4種：

1）全金屬梁肋式結構，如Su-30MK；

2）單梁全高度蜂窩/波紋板結構，如F-16和某型機鴨翼；

3）多墻式結構，如EF-2000；

4）根部加強盒段設計，外段有全高度蜂窩結構，如F-22，也有外段多墻式結構，如F-14和F-35。

通過分析可以知道，全動舵面在結構設計時，為盡可能降低結構重量，追求高的結構效率，多數飛機采用了厚壁板+梁/墻式結構或厚蒙皮+全高度蜂窩夾芯結構，在翼型厚度允許范圍內對舵面的根部結構適當進行加強。一般而言，相對翼型厚度越小（約6%以下），采用全高度蜂窩夾層結構的結構效率相對較高。另一方面，翼型厚度增大時采用厚壁板+梁/墻式結構，其制造穩定性相對較高。

總之，在進行全動舵面設計時，應綜合評估結構重量、顫振特性、全壽命周期的成本、制造穩定性及制造效率等因素選擇全動舵面的結構形式。