【摘 要】機載設(shè)備除了按照特定功能需求設(shè)計之外，其設(shè)備結(jié)構(gòu)（包括電子元件）還需滿足強度要求，而強度的輸入之一就是飛機的載荷環(huán)境。本文全面完整地分析了民用飛機機載設(shè)備載荷環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】機載設(shè)備;載荷環(huán)境

中圖分類號： V241.02文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）19-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.045

1 載荷環(huán)境簡介

本文所說的結(jié)構(gòu)不僅包括設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，還包括電子元件在內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)和功能是所有機載設(shè)備研制的兩個重要維度，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，保證結(jié)構(gòu)的完整性才能保證功能的可靠性，這就需要設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足飛機全部的載荷環(huán)境。載荷環(huán)境就是飛機加速度、變形、振動、沖擊等機械環(huán)境。

2 機載設(shè)備載荷分類

機載設(shè)備載荷環(huán)境按照載荷類別分類，包括飛機加速度載荷、壓力載荷、機體變形載荷（強迫位移載荷）、熱載荷、氣動載荷、振動載荷、沖擊載荷。

2.1 飛機加速度載荷

飛機加速、剎車、偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)、著陸或遭遇突風等情況會產(chǎn)生加速度，一般離飛機重心越遠，加速度越大。飛機加速度值受飛機重量分布、剛度分布和使用條件定義等因素影響。在加速度載荷中有一種特殊的載荷工況是應急著陸載荷，即起落架不能正常放下的故障工況，此時飛機可能有所損壞，但與乘員安全有關(guān)的設(shè)備必須滿足CCAR25.561條款的要求，為乘員提供安全保護，避免乘員在輕度撞損應急著陸過程中受到嚴重傷害。應急著陸的載荷為：向上3.0g，向下6.0g，側(cè)向3.0g（座椅及其連接件4g），向前9.0g，向后1.5g。

2.2 壓力載荷

飛機增壓系統(tǒng)元件必須進行最大正常工作壓力2倍的破壞壓力試驗和1.5倍的驗證壓力試驗。氣動系統(tǒng)元件必須分別進行最大正常工作壓力3倍的破壞壓力試驗和1.5倍的驗證壓力試驗。保載時間和試驗判據(jù)見表1。

2.3 氣動載荷

在高速流場中的機載設(shè)備，在計算載荷時，氣動載荷往往是最嚴酷的載荷之一，例如沖壓空氣風門、天線等。設(shè)備的氣動載荷可運用CFD（計算流體動力學）方法，根據(jù)設(shè)備幾何特征和所在位置流場的速度、密度等來計算。

2.4 熱載荷

在系統(tǒng)設(shè)計中需考慮內(nèi)外熱載荷的影響，熱載荷的具體影響表現(xiàn)為：

a）溫度影響材料抗拉強度、屈服強度，影響強度安全裕度。

b）溫度影響材料彈性模量，影響振動響應。

c）溫度產(chǎn)生熱脹冷縮，導致設(shè)備或管路變形，影響內(nèi)應力和對外界面載荷。

d）溫度梯度產(chǎn)生應力。

e）溫度變化產(chǎn)生疲勞載荷。

飛機熱載荷來源于太陽輻射、發(fā)動機、APU（輔助動力裝置）、防冰管路、液壓電動泵、空氣管理系統(tǒng)高溫管路、油濾等。

2.5 機體變形載荷（強迫位移載荷）

飛機機身、機翼在慣性力、氣動力等作用下發(fā)生變形，對管路產(chǎn)生強迫位移，該強迫位移會使管路發(fā)生大變形，這是管路在強度設(shè)計中最嚴酷的工況之一。民用飛機的燃油、液壓、氣源等管路系統(tǒng)在全機的布置范圍廣、跨度大，飛機的機身、機翼等主結(jié)構(gòu)發(fā)生變形會對管路產(chǎn)生顯著的強迫位移，對管路產(chǎn)生較大的應力應變。對于剛度較大的硬管，機體變形載荷往往是最嚴酷的。

2.6 振動載荷

振動載荷包括功能振動、耐久振動、高量值短時振動和風車振動載荷，前三者見RTCA/DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗大綱》。風車振動載荷針對持續(xù)發(fā)動機不平衡這一特定風險，發(fā)動機葉片斷離之后，葉片在風力作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動，因重量分布不平衡而產(chǎn)生較長時間低頻振動。風車振動載荷適用于如果功能喪失會影響飛機返場的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。風車載荷量值由發(fā)動機不平衡狀態(tài)下的振動譜得到。

2.7 沖擊載荷

沖擊載荷包括功能沖擊載荷、安全墜撞沖擊載荷、鳥撞沖擊載荷。對于一些在應急著陸情況下，設(shè)備的破損和脫落可能會對人員構(gòu)成危險，或?qū)背冯x設(shè)施造成破壞的設(shè)備，除進行功能沖擊試驗外，還應進行墜撞安全試驗。鳥撞沖擊載荷適用于鳥撞影響區(qū)域且如果功能喪失會影響飛機返場的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。

2.8 FBO（Fan Blade Out發(fā)動機葉片飛出）載荷

FBO載荷是指發(fā)動機風扇葉片因鳥撞、冰雹或者是疲勞等原因發(fā)生斷裂而脫落所引起的瞬態(tài)沖擊載荷。該載荷通過動響應分析得到。在FBO故障狀態(tài)下，影響飛機返場的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備需能承受傳遞至其安裝位置處的FBO載荷，不發(fā)生破壞。

2.9 其他載荷

對于每個系統(tǒng)設(shè)備，還有各自特有的載荷，包括人員操作載荷、操縱系統(tǒng)作動器載荷、濫用載荷、設(shè)備之間固定連接的界面載荷、部件間的摩擦載荷、故障狀態(tài)產(chǎn)生的卡阻載荷等。

3 強度判據(jù)

3.1 靜強度分析判據(jù)

在限制載荷下無有害永久變形，即在限制載荷情況下，結(jié)構(gòu)分析部位屈服強度安全裕度大于0。在極限載荷下無破壞，即在極限載荷情況，結(jié)構(gòu)分析部位的極限強度安全裕度大于0。

3.2 振動沖擊試驗判據(jù)

對于需要考慮振動、沖擊（除墜撞沖擊之外）載荷的設(shè)備，要求設(shè)備在振動、沖擊載荷環(huán)境下功能正常，連接件不松脫，連接面不破壞。

3.3 應急著陸載荷試驗的判據(jù)

對于需符合CCAR25.561條款的設(shè)備，在應急著陸載荷下（包括墜撞持續(xù)載荷和墜撞沖擊載荷），連接件不松脫，連接面不破壞。對于應急著陸撤離設(shè)施（例如客艙應急著陸照明燈），在應急著陸載荷下須功能正常。

4 安全系數(shù)

當以限制載荷作為結(jié)構(gòu)的外載荷時，必須采用安全系數(shù)l.5;當用極限載荷來規(guī)定受載情況時，不必采用安全系數(shù)。另外，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中還需考慮接頭系數(shù)、鑄件系數(shù)等特殊系數(shù)。

5 結(jié)語

機載設(shè)備驗證某一項載荷要求的符合性較容易，而確保完整性較難。本文完整地歸納了民用飛機機載設(shè)備所有的載荷環(huán)境。在機載設(shè)備的設(shè)計研發(fā)中，應根據(jù)具體設(shè)備的重要等級分別選擇合適的符合性驗證方法。

【參考文獻】

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