馬 巖

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司, 沈陽 110179)

0 引言

FAR25.783(b)條規(guī)定：“必須有措施防止每一艙門在飛行中被人無意中打開。而且，必須設(shè)計預(yù)防措施，將人在飛行中有意打開艙門的概率降至最小?！盇C25.783[1]中對此條要求進(jìn)行了補(bǔ)充說明，規(guī)定：“必須有措施降低艙門在飛行中被人為意外打開的可能性。當(dāng)艙段壓差在2 psi以上時，一般不可能正常打開門。能否打開門取決于門操作機(jī)構(gòu)和手柄的設(shè)計、位置和操縱力。所需的開門操縱力超過300 lb，就應(yīng)該被認(rèn)為足夠防止門被打開?！?/p>

為滿足上述要求，民用飛機(jī)艙門必須設(shè)計成可以實現(xiàn)全飛行行程內(nèi)的完全鎖定。飛行鎖是常用的艙門鎖定機(jī)構(gòu)。作為電子設(shè)備，飛行鎖在通電狀態(tài)下才能保證鎖定功能，但飛行中長時間通電會導(dǎo)致飛行鎖結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)熱，對飛機(jī)環(huán)境和安全造成一定影響。為解決上述問題，可以將飛行鎖設(shè)計為僅在飛機(jī)爬升和降落階段起作用，當(dāng)飛機(jī)內(nèi)外壓差超過一定值時，飛行鎖處于斷電狀態(tài)，不再具備鎖定功能。在飛行鎖不起作用的飛行階段，為避免艙門的意外打開，可以設(shè)計機(jī)械裝置鎖定艙門的位置，鎖定的判斷依據(jù)是開門力大于300 lb。

為滿足艙門的操縱性要求，保證5%的女性和95%的男性能夠順利操作艙門打開，一般建議正常開啟艙門時手柄力不超過45 lb，先進(jìn)機(jī)型甚至要求開啟手柄力不超過35 lb。

綜合上述要求，在正常開啟狀態(tài)下和2 psi以上壓差狀態(tài)下，艙門開啟的手柄力要求存在一定矛盾。如何實現(xiàn)在不安全壓力下鎖定艙門完全關(guān)閉位置，且不影響艙門的正常開啟手柄力，是艙門設(shè)計的一項難題。

1 艙門壓力鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計要求

為解決上述問題，可以設(shè)計艙門壓力鎖定機(jī)構(gòu)[2]，該機(jī)構(gòu)需滿足以下功能：

1)在艙門正常開啟狀態(tài)下，該機(jī)構(gòu)不起作用，不會阻礙艙門的正常打開，不影響正常開門手柄力。

2)在2 psi及以上機(jī)艙壓差狀態(tài)下，該機(jī)構(gòu)可以鎖定艙門的手柄位置，確保300 lb操作力下無法扳動手柄。

基于上述功能要求，設(shè)計壓力鎖定機(jī)構(gòu)包含正常打開和壓力鎖定兩種工作模式，該機(jī)構(gòu)以機(jī)艙內(nèi)外壓差載荷為變量，通過彈簧的配合，完成兩種運(yùn)動模式切換，從而實現(xiàn)在正常狀態(tài)下不影響艙門的打開以及在2 psi以上壓差狀態(tài)下鎖定艙門[3]的功能。

2 壓力鎖定機(jī)構(gòu)解決方案

2.1 集成于增壓預(yù)防門[4-5]的壓力鎖定機(jī)構(gòu)

對于危險型艙門，設(shè)計有閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)等多套安全機(jī)構(gòu)。為保證艙門機(jī)構(gòu)的安全功能及機(jī)構(gòu)間的監(jiān)控邏輯關(guān)系，開啟艙門過程中機(jī)構(gòu)有一定的運(yùn)動時序要求，一般開門順序為：“開增壓預(yù)防門—解鎖—解閂—打開”。增壓預(yù)防門處于第一順位，一旦開啟，艙內(nèi)立即泄壓，即使是半堵塞式[6]艙門也可能完成向內(nèi)提升運(yùn)動并在空中打開，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此艙門的壓力鎖定機(jī)構(gòu)應(yīng)保證可以鎖定增壓預(yù)防門的位置。

在波音777飛機(jī)登機(jī)門、A220飛機(jī)登機(jī)門等成熟機(jī)型艙門上，均采用了集成于增壓預(yù)防門的壓力鎖定機(jī)構(gòu)。此類機(jī)構(gòu)的設(shè)計思路基本一致，都是利用兩套凸輪機(jī)構(gòu)[7-9]，分別實現(xiàn)艙門正常開啟的運(yùn)動時序控制功能和增壓狀態(tài)下的壓力鎖定功能。

此類機(jī)構(gòu)的設(shè)計難點是如何將兩套不同功能的凸輪機(jī)構(gòu)更好地集成在一起，使機(jī)構(gòu)在滿足功能的前提下，更為簡潔，從而節(jié)省布置空間，降低艙門重量，提高機(jī)構(gòu)基本可靠性。

圖1為某項目創(chuàng)新設(shè)計的集成于增壓預(yù)防門的壓力鎖定機(jī)構(gòu)。如圖1所示，增壓預(yù)防門分別與艙門結(jié)構(gòu)和連桿鉸接連接，連桿的另一端與叉型件鉸接連接，叉型件與艙門結(jié)構(gòu)鉸接連接，艙門結(jié)構(gòu)、增壓預(yù)防門、叉型件及連桿共同構(gòu)成了一套四桿機(jī)構(gòu)。在叉型件上固定連接有上滾輪，上滾輪與凸輪上半段配合，凸輪與艙門結(jié)構(gòu)鉸接連接。叉型件與凸輪構(gòu)成一套“凸輪-擺桿”機(jī)構(gòu)。增壓預(yù)防門的傳動軸上布置有扭簧，扭簧力使增壓預(yù)防門有向艙內(nèi)翻轉(zhuǎn)打開的趨勢。在叉型件的下方設(shè)計有下滾輪，下滾輪在壓力鎖定的工況下與凸輪的下半段配合。

圖1 集成于增壓預(yù)防門的壓力鎖定機(jī)構(gòu)

(a)完全關(guān)閉狀態(tài) (b)正常打開狀態(tài) (c)壓力鎖定狀態(tài)圖2 壓力鎖定機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程圖

圖2從左至右依次為該機(jī)構(gòu)的完全關(guān)閉狀態(tài)、正常打開狀態(tài)以及壓力鎖定狀態(tài)示意圖。如圖2所示，正常開啟時，手柄驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，扭簧帶動增壓預(yù)防門旋轉(zhuǎn)打開，并通過上述四桿機(jī)構(gòu)和“凸輪-擺桿”機(jī)構(gòu)，將上滾輪壓緊凸輪的上半段表面。通過上滾輪與凸輪的配合，可以實現(xiàn)增壓預(yù)防門在艙門開啟過程中的運(yùn)動時序控制。

在2 psi及以上壓差狀態(tài)下開啟艙門時，艙門手柄軸帶動凸輪旋轉(zhuǎn),壓差載荷將增壓預(yù)防門壓緊在完全關(guān)閉位置，扭簧無法帶動增壓預(yù)防門開啟。手柄帶動凸輪進(jìn)一步轉(zhuǎn)動后，凸輪的下半段鎖鉤與下滾輪接觸。設(shè)計時，可以調(diào)整凸輪下半段的軌跡線及下滾輪的位置，以控制凸輪與下滾輪在接觸位置的壓力角，使凸輪驅(qū)動叉型件的運(yùn)動壓力角等于或接近90°，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖。凸輪被鎖死后，手柄無法進(jìn)一步驅(qū)動增壓預(yù)防門開啟，從而實現(xiàn)了壓力鎖定的功能。

本方案利用一個凸輪的不同外形面，分別與兩個滾輪配合，實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動時序控制和壓力鎖定兩種功能，機(jī)構(gòu)形式簡單，集成程度較高。

2.2 手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)

對于非危險艙門，按適航條例FAR25.783(c)(2)要求：“如果從該艙門任一可能的位置上都可以保持打開到防止增壓的程度，或當(dāng)增壓發(fā)生時可以安全關(guān)閉與閂住，則無須具有專用的增壓預(yù)防措施?！币虼朔俏ｋU門通常不配備有增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)。對于某些采用超高邏輯控制環(huán)控系統(tǒng)的艙門，如空客系列的部分艙門，也未采用增壓預(yù)防門作為增壓預(yù)防措施。上述類型艙門的壓力鎖定機(jī)構(gòu)無法采用集成于增壓預(yù)防門的設(shè)計方案。針對此類艙門，可以采用直接鎖定艙門的手柄位置的方案。手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理是以壓力蓋板為載體，利用不同的壓差狀態(tài)，進(jìn)行艙門正常打開和不安全壓力打開的機(jī)構(gòu)模式選擇，從而實現(xiàn)在不同壓差載荷狀態(tài)下，對手柄的鎖定和解鎖。

某機(jī)型手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)形式及其工作狀態(tài)如圖3～圖5所示，該機(jī)構(gòu)由手柄、曲柄、壓力蓋板、扭簧及鉤型鎖等零件組成。

艙門手柄上固定連接有曲柄和滾輪，壓力蓋板與艙門結(jié)構(gòu)鉸接連接，其在扭簧的驅(qū)動下，有翻轉(zhuǎn)打開的趨勢。在艙門完全關(guān)閉位置，滾輪通過與壓力蓋板固定連接的支座配合，將壓力蓋板鎖定在完全關(guān)閉位置。正常壓差狀態(tài)下開門時，扳動手柄，手柄帶動滾輪轉(zhuǎn)動并脫離支座，之后扭簧可以帶動壓力蓋板轉(zhuǎn)動開啟，壓力蓋板上固定連接的鉤型鎖遠(yuǎn)離曲柄上固定連接的銷子，手柄可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動至完全打開位置。

圖3 手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)

圖4 正常開啟狀態(tài)下的手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)

圖5 壓力鎖定狀態(tài)下的手柄壓力鎖定機(jī)構(gòu)

當(dāng)機(jī)艙壓差載荷大于2 psi時扳動手柄，滾輪在手柄的帶動下脫離支座后，壓力蓋板被壓差載荷壓緊在關(guān)閉位置，扭簧無法驅(qū)動壓力蓋板轉(zhuǎn)動。手柄進(jìn)一步轉(zhuǎn)動后，曲柄上固定連接的銷子將與壓力蓋板上的鉤型鎖接觸，鉤型鎖鎖定手柄曲柄的位置，阻止手柄進(jìn)一步轉(zhuǎn)動。設(shè)計時可以調(diào)整鉤型鎖與銷子的接觸平面方向，使銷子驅(qū)動壓力蓋板的運(yùn)動壓力角等于或接近90°，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)自鎖。

為避免因為機(jī)構(gòu)結(jié)冰等意外情況導(dǎo)致扭簧無法在正常開啟工況下帶動壓力蓋板轉(zhuǎn)動,引起機(jī)構(gòu)卡滯[10]，在鉤型鎖上設(shè)計有凸起結(jié)構(gòu)。扳動手柄，如果扭簧無法正常帶動壓力蓋板轉(zhuǎn)動，曲柄上固定連接的銷子會與凸起結(jié)構(gòu)接觸，此處機(jī)構(gòu)傳動角度較大，手柄可以驅(qū)動壓力蓋板轉(zhuǎn)動一定角度，以消除壓力蓋板處可能的運(yùn)動卡滯，保證機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。

本方案采用壓力蓋板作為機(jī)艙壓差載荷的載體，利用壓差載荷與彈簧力的關(guān)系，進(jìn)行不同工作模式的選擇，實現(xiàn)了不安全開啟狀態(tài)下艙門手柄的鎖定，解決了未設(shè)計有增壓預(yù)防門的艙門壓力鎖定問題，并設(shè)有防卡滯措施，降低了艙門無法正常打開的概率。

3 結(jié)論

對于民用飛機(jī)增壓艙門，壓力鎖定機(jī)構(gòu)是保證艙門手柄力滿足適航要求的重要機(jī)構(gòu)。本文提出的壓力鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計原理是利用壓差載荷和彈簧共同驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)艙門正常打開和不安全壓力下打開兩種工況的工作機(jī)構(gòu)切換。

本文提供的的兩種新型增壓艙門壓力鎖定機(jī)構(gòu)形式簡單，不同工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化連貫，設(shè)計方案已經(jīng)經(jīng)過項目驗證，合理可行，可以推廣應(yīng)用至其他艙門壓力鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計中，具有一定的推廣借鑒價值。