...tor在变压器结构设计中的应用
王迪 张正礼
【摘 要】本文以民用飞机尾翼前缘结构的功能性要求为原则，讨论了尾翼前缘结构形式选择、尾翼前缘结构抗鸟撞设计以及尾翼前缘迎风面防护三个问题。通过对比分析，认为组合式前缘结构形式在抗鸟撞性能和可维护性方面优于独立式前缘结构形式。在尾翼前缘抗鸟撞设计和迎风面风蚀防护方面，结合对国外两家公司民用飞机尾翼前缘结构设计上异同的对比分析，提出了一些建议，供结构设计人员参考。
【关键词】民用飞机；尾翼前缘；结构设计；鸟撞
0 前言
民用飞机尾翼分为水平安定面、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结构通常由主承力翼盒、前缘和后缘组成，以前、后梁为界划分。尾翼前缘结构的主要功能是维持气动外形、传递前缘部分的气动载荷、抗鸟撞以及安装容纳系统设备等。因此，尾翼前缘结构设计需满足以下基本要求：（1）刚度要求：需保证在气动力作用下结构变形控制在一定限度内，以维持安定面良好的气动特性。（2）抗鸟撞要求：CCAR/FAR-25适航规章对尾翼的抗鸟撞要求比机翼更为严苛，尾翼前缘需具备足够的抗鸟撞性能。（3）设备维护要求：尾翼前缘内部通常布置有液压管路、电气线路和通信设备等系统件，前缘结构需为这些系统设备留出一定的可拆卸维护口盖和相对开敞的操作空间。（4）结构可靠性和维修性要求：尾翼前缘的迎风面易受风蚀和外来物损伤，结构设计需尽量限制损伤的程度和危害，并且具备良好的结构维修性。
本文以上述四个基本要求为原则，针对尾翼前缘结构形式的选择、尾翼前缘结构抗鸟撞设计以及尾翼前缘迎风面防护三个问题进行讨论，比较和分析国外波音和空客两家公司设计的异同，为结构设计人员提供参考。
1 民用飞机尾翼前缘结构形式
尾翼前缘位于水平、垂直安定面前梁的前方，属于非主承力构件，除承受部分气动载荷、惯性载荷和系统载荷外，还应满足抗鸟撞要求。因此前缘结构形式的选择一方面取决于尾翼安定面整体结构形式，另一方面需兼顾抗鸟撞设计和系统维护性等。
目前主流民用飞机的尾翼安定面结构形式主要有“单闭室”和“双闭室”两种[1]。“单闭室”是指由双梁（或多梁）、翼肋和加筋壁板组成的主承力翼盒，前缘由蒙皮和密集的肋组成，并直接与主承力翼盒相连。“双闭室”由主承力翼盒及其前方的辅助扭力翼盒组成，辅助扭力翼盒又称前缘舱，其后方与主承力翼盒前梁相连，前部设置一根辅助梁（前缘梁），辅助梁前方则连接前缘蒙皮（前缘壁板）。“双闭室”安定面中的前缘舱与前缘壁板可并称“组合式前缘”；与之相对应，可将“单闭室”安定面的前缘称为“独立式前缘”。
独立式前缘结构相对简单，蒙皮分块少，便于结构装配。然而，考虑到内部系统设备的维护性，需在蒙皮上开设局部维护口盖，否则一旦设备需要维护就需将可卸前缘整体拆下。
组合式前缘虽然结构相对复杂，蒙皮分块多，但前缘舱的设计使系统设备维护更为灵活，操作空间也更大，并且一旦有蒙皮发生损伤时不需更换整个前缘。更重要的是，前缘辅助梁在前缘壁板之后为抗鸟撞提供了又一道屏障，能更有效地保护主承力翼盒。
对于大型民用飞机，出于对抗鸟撞性能和维护性的综合考量，组合式尾翼前缘更优。国内某型飞机研制过程中的垂尾前缘鸟撞试验表明，相比独立式前缘，采用组合式前缘在保证适航条款对抗鸟撞要求的同时具有重量优势[1]。波音公司的系列机型中，除早期窄体737客机外，747、757、767、777和787飞机均采用组合式尾翼前缘。
2 民用飞机尾翼前缘抗鸟撞设计
鸟撞是民航运输安全的重要威胁之一，目前欧洲CS 25.631适航条款对运输类飞机尾翼结构要求能承受1.8kg鸟撞击，而中、美两国的CCAR/FAR 25.631适航条款则更是将这一要求提高到3.6kg鸟撞击[2]。因此，抗鸟撞性能是民用飞机尾翼前缘结构设计的重点，也是难点。
从结构设计的角度，提高抗鸟撞性能的核心是解决“吸能”与“散能”问题[3]。
“吸能”是指通过选取吸能效果较好的材料，尽可能地吸收鸟体撞击能量。目前主流民用飞机为中常用蜂窝夹层、泡沫夹层和GLARE层板等作为尾翼前缘吸能壁板的材料。波音757、767和777飞机平、垂尾前缘壁板采用铝合金面板+铝蜂窝芯的夹层结构，787-8飞机则采用外层铝合金蒙皮与内层玻璃纤维复合材料面板+芳纶纸蜂窝夹层共胶接的混杂结构前缘壁板。空客A320、A330和A340飞机平、垂尾前缘壁板采用碳纤维复合材料面板+芳纶纸蜂窝夹层结构，A380飞机平、垂尾前缘则采用了GLARE层板。相关研究表明[4]，相比单纯采用铝合金蒙皮，采用金属面板蜂窝夹层壁板、复合材料面板蜂窝夹层壁板和GLARE层板吸能效率更高，且重量更轻。
“散能”是指通过采用一定的结构形式使鸟体撞击后直接分离，将大部分鸟体能量散去。Li[5]等提出一种三角形加强结构的尾翼前缘抗鸟撞设计。当前缘遭受鸟体撞击时，安装在前缘结构内部的等腰三角形金属加强板可起到切割鸟体的作用，使鸟体沿加强板两侧分离，从而避免其穿透前缘以至于破坏主盒段前梁。这种抗鸟撞结构形式适用于前缘翼型曲率较大的尾翼，若翼型曲率较小则三角形顶角偏大而前端不够“锋利”，不能有效起到分离鸟体的作用。目前，这一设计思路已在国内某型飞机的平尾前缘设计中得到应用。
需指出的是，“吸能”与“散能”这两种设计思路并不冲突，如何将这两者相结合以应用于尾翼前缘结构的抗鸟撞设计，是设计人员需考虑的。
3 民用飞机尾翼前缘迎风面防护
在民用飞机长期服役过程中，尾翼前缘持续受到气流中的尘埃、雨点等的吹蚀和磨蚀作用，易产生轻则漆层脱落、重则蒙皮表面磨损甚至穿孔，这一现象被称为风蚀损伤。国内航空公司的波音737飞机就曾发生因垂尾前缘高频天线一体化蒙皮风蚀受损而导致AOG停场造成的损失[6]。因此，在设计过程中需考虑尾翼前缘迎风面的防风蚀措施。
波音系列机型的尾翼前缘迎风面蒙皮材料通常为铝合金包铝板，表面通过聚氨酯防侵蚀涂层或防护带进行保护。空客系列机型的尾翼前缘蒙皮材料多为碳纤维复合材料，易受风蚀损伤，因此在蒙皮迎风面的前端加装了专用于防侵蚀的不锈钢防护板。
通过防护措施可减轻前缘迎风面风蚀损伤的程度及其危害，减少运营维护成本。需指出的是，风蚀本质上是不可避免的，结构设计时需考虑防护措施本身的维修性和可更换性。
4 结语
本文针对民用飞机尾翼前缘结构设计的三个问题，提出以下结论和建议，以供结构设计人员参考：
（1）对于大型民用飞机尾翼结构而言，由前缘壁板和前缘舱组成的组合式前缘相比独立式前缘具有更好的抗鸟撞性能和设备维护性，为较优的结构形式。
（2）抗鸟撞性能是民用飞机尾翼前缘结构设计的重点和难点，“吸能”和“散能”是抗鸟撞的主要机理，前者通过引入吸能材料吸收鸟撞能量，后者通过一定的结构特征分离鸟撞能量。如何将两者结合应用是设计人员需考虑的。
（3）良好的尾翼前缘迎风面风蚀防护可提升结构的可靠性，降低运营维护成本。在进行防护设计时需考虑防护措施本身的维修性和可更换性。
【参考文献】
[1]李洪昌.民用飞机垂直安定面结构型式分析[J].科技创新导报，2014，25：71.
[2]张柱国.运输类飞机鸟撞及符合性驗证综述[J].航空科学技术，2013，6：1.
[3]宋春艳，朱广荣.大型民机复杂结构抗鸟撞动力学分析与世行验证技术研究[A].第十届全国振动理论及应用学术会议论文集，2011：1106.
[4]刘永强，王向盈，唐长红，冯震宙，黄超广.四种飞机蒙皮材料抗鸟撞性能对比研究[J].航空材料学报，2015，35（5）.
[5]Li et al.Tail Capable of Improving Anti-Bird Strike Performance of Aircraft：US，8746619B2[P].2014-06-10.
[6]张唐颂，李中柱.波音737飞机垂尾高频天线前缘风蚀的预防与修理[J].航空维修与工程，2016，11：101.
[责任编辑：朱丽娜]endprint
