民航飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳勇皓

（浙江力升彈簧股份有限公司，浙江樂清 325600）

0 引言

艙門是飛機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)成之一，主要用于人員和貨物的進(jìn)出，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全及飛行性能。現(xiàn)行的民航飛機(jī)適航條例對艙門提出了很多具體的設(shè)計(jì)要求，大大增加了艙門的設(shè)計(jì)難度。民航飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能要求多，必須滿足強(qiáng)度、疲勞、密封、可靠性方面的要求，同時(shí)在氣動(dòng)外觀上還需要實(shí)現(xiàn)減輕重量，降低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到側(cè)邊艙門開閉的可靠性，而且直接影響艙門的機(jī)械性能、力學(xué)性能，因此，在現(xiàn)代軍用和民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中，艙門的設(shè)計(jì)變得越來越重要。本文針對民航飛機(jī)艙門的抬升機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖閂機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)以及鋪層、艙門與機(jī)身連接部位的設(shè)計(jì)展開探討。

1 民航飛機(jī)艙門運(yùn)動(dòng)原理

飛機(jī)艙門可分為堵塞型、非堵塞型兩大類，具體選擇取決于艙門的開閉模式和負(fù)載能力。堵塞型飛機(jī)艙門僅承受機(jī)艙內(nèi)部壓力，而非堵塞型艙門不僅承受機(jī)艙內(nèi)部壓力，還需要承受機(jī)身剪力。當(dāng)鉸鏈、關(guān)閉滑軌因內(nèi)部壓力增大而失效時(shí)，艙門被壓緊無法打開。因此，當(dāng)前民航飛機(jī)多采用堵塞型艙門。

本文設(shè)計(jì)的艙門鎖閂機(jī)構(gòu)由機(jī)身門框的鎖止塊以及艙門側(cè)面凸起的鎖止塊構(gòu)成。艙門關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)鎖止塊連接共同起到限制艙門往外移動(dòng)的作用。通過抬升機(jī)構(gòu)錯(cuò)開鎖止塊，使艙門向外運(yùn)動(dòng)并開啟，具體運(yùn)動(dòng)原理如下：

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使抬升連桿運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動(dòng)鎖閂機(jī)構(gòu)解鎖。此時(shí)抬升機(jī)構(gòu)解除死點(diǎn)，保證艙門不向外運(yùn)動(dòng)。為確保艙門解閂、解鎖的時(shí)序正確，在主軸、鎖之間設(shè)置分時(shí)裝置，艙門解閂且主軸接觸到分時(shí)裝置后方可進(jìn)行解鎖。

（2）艙門解閂死點(diǎn)位置解除后，艙門抬升解鎖。解鎖運(yùn)動(dòng)主要包括鎖滾輪的滾動(dòng)，其軌跡包括抬升和鎖軸旋轉(zhuǎn)。由于鉸鏈臂未鎖定，在艙門抬升過程中可以旋轉(zhuǎn)，因此艙門側(cè)設(shè)置兩對抬升導(dǎo)軌用于旋轉(zhuǎn)鉸鏈臂。抬升導(dǎo)軌由導(dǎo)軌槽、滾輪組成，抬升運(yùn)動(dòng)由四連桿、抬升導(dǎo)軌共同控制。

（3）抬升艙門后需向外推動(dòng)艙門外移，此時(shí)鉸鏈臂圍繞機(jī)身旋轉(zhuǎn)，通過艙門頂部平行四邊形機(jī)構(gòu)確保艙門以平移方式向外運(yùn)動(dòng)。此外，艙門也是緊急逃生出口，需設(shè)置滑梯釋放機(jī)構(gòu)以及緊急開啟輔助機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的艙門通過預(yù)位手柄控制滑梯釋放，通過壓力罐提供緊急開啟動(dòng)力。下面對艙門的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)如抬升機(jī)構(gòu)、鎖閂機(jī)構(gòu)、滑梯釋放機(jī)構(gòu)、側(cè)開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。

2 艙門總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)艙內(nèi)部壓力增大時(shí)，艙門受壓，為確保其安全性、密封性滿足要求，應(yīng)盡量降低增壓時(shí)艙門的瞬時(shí)形變，禁止出現(xiàn)永久形變。為此，艙門結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度。本文設(shè)計(jì)的堵塞型艙門結(jié)構(gòu)主要包括艙門邊框、縱梁、橫向隔、主軸、手柄、觀察裝、鉸鏈臂、抬升機(jī)構(gòu)、鎖閂機(jī)構(gòu)、滑梯釋放機(jī)構(gòu)、重力平衡機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、蒙皮等（圖1）。其中，手柄艙門中部觀察窗根據(jù)實(shí)際情況確定合理定位，觀察窗在艙門左側(cè)偏上區(qū)域示。

圖1 艙門基本結(jié)構(gòu)

3 艙門關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 抬升機(jī)構(gòu)

抬升機(jī)構(gòu)是艙門的關(guān)鍵組成部分，主要用于實(shí)現(xiàn)艙門的抬升（圖2）。

圖2 抬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過手柄旋轉(zhuǎn)使AB 桿（抬升搖臂）旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)BC 桿上移，使艙門抬升。O 點(diǎn)為抬升機(jī)構(gòu)與鉸鏈臂的連接點(diǎn)；A、D 點(diǎn)是與艙門的連接點(diǎn)。為避免解除死點(diǎn)位置時(shí)艙門下壓，使B、C、D三點(diǎn)共線，同時(shí)在手柄處設(shè)有卡滯裝置，以確保飛機(jī)在飛行過程中手柄穩(wěn)定不搖擺。艙門關(guān)閉時(shí)，彈簧頂針頂緊手柄。開啟艙門時(shí)，只要旋轉(zhuǎn)手柄即可使艙門抬升。

3.2 釋壓門

釋壓門，即增壓保護(hù)門，主要作用于艙門開啟前實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)外壓力平衡。關(guān)閉艙門時(shí)，釋壓門受到?jīng)_擊壓緊，因此，設(shè)計(jì)時(shí)抬升連桿并非直連釋壓門，而是連接壓塊，通過壓塊壓緊釋壓門。

3.3 平行四邊形機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的飛機(jī)艙門頂部設(shè)有控制艙門平移運(yùn)動(dòng)的平行四邊形機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)直接連接機(jī)身，不能設(shè)置在艙門內(nèi)部。為保持艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的美觀，同時(shí)避免外界雜物進(jìn)入艙門內(nèi)部，需在艙門頂部設(shè)置擋板，擋板搖臂轉(zhuǎn)角40°。艙門抬升后，平行的兩根桿構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，和鉸鏈臂共同控制艙門外推運(yùn)動(dòng)路線。

3.4 重力平衡機(jī)構(gòu)

飛機(jī)艙門自重高，常人僅靠自身力量難以順利抬升艙門，因此需設(shè)計(jì)重力平衡機(jī)構(gòu)（圖3）。重力平衡機(jī)構(gòu)的核心部分是扭力桿，桿的一端通過花鍵連接主軸，另一端通過連桿連接艙門，連桿通過螺栓固定，主要作用是調(diào)節(jié)扭力。根據(jù)力學(xué)分析，關(guān)閉艙門時(shí)，扭力桿可阻礙艙門下放，起到緩沖效果。開啟艙門時(shí)，扭力桿可以降低艙門抬升時(shí)需要施加的外力，起到助力效果。本次設(shè)計(jì)的重力平衡軸轉(zhuǎn)角為37°。

圖3 重力平衡機(jī)構(gòu)

3.5 手柄機(jī)構(gòu)

飛機(jī)艙門需要同時(shí)具備內(nèi)開、外開功能，在設(shè)計(jì)手柄時(shí)需要同時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)、外手柄（圖4）。本文設(shè)計(jì)的艙門內(nèi)、外手柄之間的傳動(dòng)為齒輪傳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)外手柄時(shí)需防止滑梯意外釋放，造成安全事故。民航飛機(jī)適航條例規(guī)定，機(jī)身表面覆冰的情況下需要確保能夠從飛機(jī)內(nèi)部順利開啟艙門，因此，將設(shè)計(jì)內(nèi)、外手柄聯(lián)動(dòng)關(guān)系設(shè)置成內(nèi)部手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)外手柄不轉(zhuǎn)動(dòng)，而外部手柄旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)手柄實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)內(nèi)部手柄時(shí)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)外手柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但外手柄不轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)外手柄時(shí)驅(qū)動(dòng)外手柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部手柄旋轉(zhuǎn)。

圖4 手柄機(jī)構(gòu)

3.6 鎖閂機(jī)構(gòu)

根據(jù)適航條例要求，艙門鎖閂機(jī)構(gòu)需包括鎖、閂兩部分。鎖的主要作用是確保閂機(jī)構(gòu)保持鎖定，閂的主要作用是將艙門保持在堵塞狀態(tài)。鎖、閂是一套成對出現(xiàn)、相互補(bǔ)充的艙門鎖閂機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的艙門鎖閂機(jī)構(gòu)主要包括閂、鎖、轉(zhuǎn)軸、上搖臂。

閂主要包括分時(shí)叉、曲柄、彈簧。為了滿足適航條例對單個(gè)機(jī)構(gòu)失效后機(jī)構(gòu)仍能安全運(yùn)行的要求，在艙門左右兩側(cè)對稱設(shè)置兩套閉鎖機(jī)構(gòu)。其基本原理是旋轉(zhuǎn)主軸使鎖旋轉(zhuǎn)，此時(shí)閂不動(dòng)，當(dāng)鎖旋轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)實(shí)現(xiàn)解鎖，主軸滾輪正好接觸分時(shí)裝置，使閂軸旋轉(zhuǎn)，開始解閂。解閂結(jié)束后，連桿機(jī)構(gòu)通過死點(diǎn)位置，彈簧力使艙門向解閂方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使其處于解閂狀態(tài)。

鎖采用過死點(diǎn)設(shè)計(jì)，當(dāng)閂向解閂方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)碰到鎖的限位裝置，使閂無法向解閂方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鎖定。

3.7 抬升導(dǎo)軌

根據(jù)上述艙門運(yùn)動(dòng)原理，除止動(dòng)塊外，艙門側(cè)還設(shè)有上下兩對導(dǎo)輪，其作用是保持艙門的正常抬升，確保其沿滑槽移動(dòng)。艙門抬升時(shí)艙門轉(zhuǎn)動(dòng)副未鎖定，因此，還需設(shè)置直接連接艙門的導(dǎo)輪以及連接機(jī)身的導(dǎo)軌，以控制艙門抬升運(yùn)動(dòng)路線。本文設(shè)計(jì)的艙門導(dǎo)軌對稱設(shè)置在左右兩側(cè)，上下各一對。

3.8 滑梯預(yù)位機(jī)構(gòu)

民航飛機(jī)機(jī)身距離地面較高，為達(dá)到適航條例規(guī)定的緊急撤離要求，需設(shè)計(jì)逃生滑梯。為防止艙門正常開閉時(shí)滑梯意外釋放，需設(shè)計(jì)滑梯控制機(jī)構(gòu)。滑梯控制機(jī)構(gòu)的基本原理是通過旋轉(zhuǎn)艙門頂部的滑梯預(yù)位手柄控制艙門中部拉桿，確保滑梯處于預(yù)位狀態(tài)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)艙門底部滑梯預(yù)位板，使其位于機(jī)身槽內(nèi)，進(jìn)入預(yù)位狀態(tài)。艙門開啟時(shí)，滑梯預(yù)位板卡在機(jī)身槽內(nèi)帶出滑梯包。解除預(yù)位時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)預(yù)位手柄，使中部拉桿處于非預(yù)位狀態(tài)，滑梯預(yù)位板回到艙門凹槽內(nèi)。

3.9 側(cè)開機(jī)構(gòu)

抬升艙門后，需外推艙門后側(cè)向開啟，涉及鉸鏈臂、平行四邊形機(jī)構(gòu)等。外推艙門時(shí)，鉸鏈臂外繞連接機(jī)身的鉸接接頭旋轉(zhuǎn)，此時(shí)除了由內(nèi)向外的運(yùn)動(dòng)，還涉及左右運(yùn)動(dòng)，因此需保證艙門外推沒有完全到位時(shí)左右擺動(dòng)幅度最小。

3.10 其他構(gòu)件

艙門環(huán)向邊框截面為Z 形，總跨度63.30°，通過沉頭螺栓連接蒙皮。環(huán)向隔板截面同樣為Z 形，但緣條寬30 mm，環(huán)向邊框長度根據(jù)縱梁間距確定。

艙門縱向邊框、縱梁長度均為1020 mm，C 形截面，腹板高100 mm，緣條寬40 mm，縱梁緣條、環(huán)向邊框緣條通過帶板連接，縱梁腹板、邊框腹板通過L 形角片連接。

4 艙門構(gòu)件材料設(shè)計(jì)

艙門復(fù)合材料采用IMS/X850 單向帶，其拉伸應(yīng)變水平3500 με，壓縮應(yīng)變水平2500 με，剪切應(yīng)變水平4500 με。窗框采用厚4 mm 的鋁合金板，觀察窗玻璃采用12 mm 厚的有機(jī)玻璃，L 形角片、連接帶板均為厚3 mm 鈦合金板制成。

5 艙門各構(gòu)件的連接

艙門各構(gòu)件之間主要通過螺栓連接（表1）。其中，縱梁腹板和角片之間、環(huán)向隔板和縱梁之間均通過HST10-6 連接件連接。蒙皮與各機(jī)構(gòu)之間采用沉頭高鎖螺栓連接。鎖閂機(jī)構(gòu)、環(huán)向邊框之間通過鈦合金平頭高鎖螺栓連接。縱梁、環(huán)向隔板以及邊框上緣條通過HST10-5 連接件連接。

表1 艙門連接設(shè)計(jì)

6 艙門與機(jī)身的連接

艙門完全開啟時(shí)，借助鉸鏈連接機(jī)身的加強(qiáng)隔框，鉸鏈臂的旋轉(zhuǎn)被鎖定。在艙門后部設(shè)置導(dǎo)引桿，機(jī)身門框后部設(shè)置導(dǎo)引軌。在艙門由開啟狀態(tài)向關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，導(dǎo)引軌、導(dǎo)引桿共同控制艙門鎖閂機(jī)構(gòu)與機(jī)身門框上相應(yīng)的機(jī)構(gòu)對齊。

當(dāng)艙門完全關(guān)閉時(shí)，鎖閂機(jī)構(gòu)限制艙門運(yùn)動(dòng)，艙門蒙皮承受的壓差載荷經(jīng)止動(dòng)塊傳遞到機(jī)身，艙門上下端頭位置的鉸鏈門基本不參與增壓艙內(nèi)壓差載荷的傳遞。

7 結(jié)論

艙門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到民航飛機(jī)的飛行安全和飛行性能，是飛機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)民航飛機(jī)艙門時(shí)，需根據(jù)適航條例要求綜合考慮多種因素，如結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、氣密性等。在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的前提下，采用合理的艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保證艙門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可行性。