王迪　張正禮

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

【關(guān)鍵詞】民用飛機；尾翼前緣；結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)設(shè)備等。因此，尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)變形控制在一定限度內(nèi)，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(guī)章對尾翼的抗鳥撞要求比機翼更為嚴(yán)苛，尾翼前緣需具備足夠的抗鳥撞性能。（3）設(shè)備維護要求：尾翼前緣內(nèi)部通常布置有液壓管路、電氣線路和通信設(shè)備等系統(tǒng)件，前緣結(jié)構(gòu)需為這些系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)可靠性和維修性要求：尾翼前緣的迎風(fēng)面易受風(fēng)蝕和外來物損傷，結(jié)構(gòu)設(shè)計需盡量限制損傷的程度和危害，并且具備良好的結(jié)構(gòu)維修性。

本文以上述四個基本要求為原則，針對尾翼前緣結(jié)構(gòu)形式的選擇、尾翼前緣結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計以及尾翼前緣迎風(fēng)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(shè)計的異同，為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供參考。

1 民用飛機尾翼前緣結(jié)構(gòu)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(gòu)件，除承受部分氣動載荷、慣性載荷和系統(tǒng)載荷外，還應(yīng)滿足抗鳥撞要求。因此前緣結(jié)構(gòu)形式的選擇一方面取決于尾翼安定面整體結(jié)構(gòu)形式，另一方面需兼顧抗鳥撞設(shè)計和系統(tǒng)維護性等。

目前主流民用飛機的尾翼安定面結(jié)構(gòu)形式主要有“單閉室”和“雙閉室”兩種[1]?！皢伍]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?！半p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(shè)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）?！半p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(yīng)，可將“單閉室”安定面的前緣稱為“獨立式前緣”。

獨立式前緣結(jié)構(gòu)相對簡單，蒙皮分塊少，便于結(jié)構(gòu)裝配。然而，考慮到內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備的維護性，需在蒙皮上開設(shè)局部維護口蓋，否則一旦設(shè)備需要維護就需將可卸前緣整體拆下。

組合式前緣雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，蒙皮分塊多，但前緣艙的設(shè)計使系統(tǒng)設(shè)備維護更為靈活，操作空間也更大，并且一旦有蒙皮發(fā)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(yōu)。國內(nèi)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(yōu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，也是難點。

從結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，787-8飛機則采用外層鋁合金蒙皮與內(nèi)層玻璃纖維復(fù)合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層共膠接的混雜結(jié)構(gòu)前緣壁板?？湛虯320、A330和A340飛機平、垂尾前緣壁板采用碳纖維復(fù)合材料面板+芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，A380飛機平、垂尾前緣則采用了GLARE層板。相關(guān)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(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的尾翼前緣抗鳥撞設(shè)計。當(dāng)前緣遭受鳥體撞擊時，安裝在前緣結(jié)構(gòu)內(nèi)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(cè)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(jié)構(gòu)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(shè)計思路已在國內(nèi)某型飛機的平尾前緣設(shè)計中得到應(yīng)用。

需指出的是，“吸能”與“散能”這兩種設(shè)計思路并不沖突，如何將這兩者相結(jié)合以應(yīng)用于尾翼前緣結(jié)構(gòu)的抗鳥撞設(shè)計，是設(shè)計人員需考慮的。

3 民用飛機尾翼前緣迎風(fēng)面防護

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

波音系列機型的尾翼前緣迎風(fēng)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(fù)合材料，易受風(fēng)蝕損傷，因此在蒙皮迎風(fēng)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(fēng)面風(fēng)蝕損傷的程度及其危害，減少運營維護成本。需指出的是，風(fēng)蝕本質(zhì)上是不可避免的，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮防護措施本身的維修性和可更換性。

4 結(jié)語

本文針對民用飛機尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的三個問題，提出以下結(jié)論和建議，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考：

（1）對于大型民用飛機尾翼結(jié)構(gòu)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(shè)備維護性，為較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

（2）抗鳥撞性能是民用飛機尾翼前緣結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)特征分離鳥撞能量。如何將兩者結(jié)合應(yīng)用是設(shè)計人員需考慮的。

（3）良好的尾翼前緣迎風(fēng)面風(fēng)蝕防護可提升結(jié)構(gòu)的可靠性，降低運營維護成本。在進行防護設(shè)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(jié)構(gòu)型式分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)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(xué)技術(shù)，2013，6：1.

[3]宋春艷，朱廣榮.大型民機復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗鳥撞動力學(xué)分析與世行驗證技術(shù)研究[A].第十屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)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(xué)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?zhí)祈?，李中?波音737飛機垂尾高頻天線前緣風(fēng)蝕的預(yù)防與修理[J].航空維修與工程，2016，11：101.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint