复合材料机翼液压管路设计影响分析

夏鹤鸣，朴学奎，范 平，杨化龙

(上海飞机设计研究院液压系统设计研究部，上海210201)

复合材料机翼液压管路设计影响分析

夏鹤鸣，朴学奎，范 平，杨化龙

(上海飞机设计研究院液压系统设计研究部，上海210201)

随着复合材料在民用飞机结构设计中使用比例的不断提高，为适应现代民用飞机发展的需求，研究了复合材料机翼相对于传统金属材料机翼在液压系统设计方面的变化，着重介绍了液压管路安装设计、闪电防护设计以及管路应力等方面面临的新挑战，并针对这些课题展开了讨论分析。

复合材料;液压管路;机翼

液压能源系统具有比功率大、响应速度快、抗负载刚性大及容易控制等特点［1］，为飞机上飞控系统、起落架系统以及反推力系统等负载提供动力源，是飞机的二次能源之一［2］，在保证飞机的飞行安全上有着非常重要的地位［3］。液压能源系统的用户广泛布置于飞机机翼与尾翼部分，机翼上布置有大量的液压管路，因此机翼液压管路布局的合理性对飞机安全有着巨大的影响［4］。

复合材料具有质量轻，较高的比强度、比模量［5］，更好的抗疲劳、抗腐蚀特性等许多优异特性。随着一系列先进复合材料研究技术的转化应用，民用飞机复合材料的使用比例逐年提高。大量应用复合材料可较大幅度地减轻结构质量，降低燃油消耗，改善飞机的维修性，提高飞机的寿命和安全性。目前，波音B787和空客A350客机的复合材料的使用比例都超过了50%。人们对复合材料研究的不断深入，其使用部位逐渐由飞机的次承力构件向更为复杂的机翼、机身等主承力构件转移。在机翼区域复合材料的使用比例不断提高的同时，给机翼区域液压管路的布置带来了一系列新的课题。本文主要从液压管路的安装设计、闪电防护以及管路应力分析等角度进行了探讨。

1 复合材料机翼上液压管路的安装设计

现代飞机机翼翼型正向薄翼型发展［6］，机翼内部空间逐渐变小，同时适航条款对机翼上液压能源系统安全性的要求逐渐提高，对各子系统之间冗余设计要求越来越高。因此，液压能源系统设计逐渐采用在翼盒内与机翼后缘均布置液压管路的方案，例如A320与ERJ190就在翼盒中布置了一套液压管路，后缘布置了两套，我国自主研制的新型支线飞机也采用了类似布置。基于这样的布置方案，液压管路在机翼上需要穿过外翼、中央翼的前、后梁，隔板以及肋板等结构件，并固定在肋板、长桁等结构件上，典型的安装形式如图1所示。

图1 某型飞机液压管路安装的结构形式

机翼上液压能源系统管路的安装设计需要对结构进行开孔，典型连接形式一般有以下两种:

a.液压管路安装固定在结构件上。液压管路通过支架安装于结构件上，需要在结构件上加工管路支架的紧固件孔。

b.液压管路穿过结构件。可分为两种情况:(1)液压管路穿过密封区，一般采用过框接头，该类型过框接头直径较大，并且多根管路并行，需要在复合材料上布置多个孔;(2)液压管路穿过非密封区，一般多根管路并行通过结构件，需要在结构件上布置较大的通过孔。

由于复合材料机翼与传统金属机翼材料特性不同，复合材料开孔会切断复合材料纤维，破坏了原有应力和变形的连续性，由此产生的应力集中使复合材料结构强度降低，因此复合材料开孔相对于金属机翼要更为复杂。其中a中紧固件的结构开孔，由于该类型开孔直径较小，可以在复合材料上直接开孔，一般无需进行补强。而b中的通过孔，目前一般采用的解决措施是:首先对机翼的复合材料使用情况进行合理配置，在需要通过较多管路的位置仍采用传统的金属结构，便于各系统的安装设计;第二，复合材料密封区同一个位置集中开孔时，采用金属口框补强形式，管路通过孔在金属件上进行加工，避免在复合材料结构件的同一个位置多次开孔;第三，尽量减少采用卫星孔较多的过框接头，降低在复合材料上的开孔数量。

2 复合材料机翼上液压管路的闪电防护设计

据统计，每年平均有一架飞机因雷击而失事。闪电发生时，闪电直接效应能量密度大，一旦附着在飞机外表面，会造成机翼表面灼伤，甚至穿透薄蒙皮引燃燃油蒸汽发生爆炸。间接效应产生的电磁场通过耦合和传导的方式进入到飞机电子系统，损坏设备或降低系统性能。由于复合材料的电传导性比传统金属材料差，阻性远高于铝合金，电磁屏蔽性能下降，闪电电流与静电泄放不良，闪电的直接与间接效应防护已成为复合材料飞机研制的重中之重。

液压能源系统设计时，首先，避免将元件与管路布置于闪电附着区以及扫略区，降低闪电直接效应的影响。如果布置于该区域，结构设计必须保证闪电不能击穿设备安装处的蒙皮而直接附着于元件上，并能通过闪电直接效应试验的验证。目前，对于闪电直接效应，复合材料机翼普遍采用在结构铺层外部提供高导电率的涂层或者增加铜网的解决办法，建立闪电先导与回击电流的主通道，实现闪电电流在机体表面流通。其次，通过仿真实验计算出闪电附着后传导到机体内部液压管路上的电流值，以确定液压管路与油箱内壁面最小间距以及电搭接的方式、搭接点阻值要求和搭接点之间的间距要求。基于以上输入条件对燃油箱内管路进行优化布置，并且通过试验进行验证。

目前针对复合材料机翼，液压能源系统管路设计时主要考虑将闪电电流隔离在油箱之外，液压能源系统管路布置时逐渐采用新型的管路连接件(隔离接头)替代传统的管路连接件，该种新型接头由金属材料和复合材料组成，典型的结构形式如图2所示。管路设计时将隔离接头布置于管路进出机翼油箱的位置以及燃油箱内部。该种新型接头金属法兰一侧与结构件充分接触，形成良好的搭接通路，闪电电流优先通过结构件传导到飞机，中间为复合材料，电阻值大，可以有效地降低闪电作用在管路上的电流，其简化电路图如图3所示，其中RISO为隔离接头的阻值。通过合理的布置隔离接头可有效地避免闪电对液压能源系统中电气设备造成危害，避免液压管路因闪电引起局部过热，或因放电造成燃油箱爆炸，以符合CCAR25.981中的燃油箱点燃防护要求，该方法已经在B787得到应用。

图2 隔离接头形式

图3 隔离接头工作原理

3 复合材料机翼上液压管路的应力分析

液压能源系统的设计需满足CCAR25.1435a(2)、(3)的适航要求［7］:能承受设计使用压力和作用于其上的结构限制载荷而不产生妨碍其预定功能的变形;能无损坏地承受1.5倍的设计工作压力与合理地可能同时产生的结构极限载荷的组合载荷。

目前民用飞机液压能源系统管路材料进行如下配置:回油管路采用铝合金管材(6061－T6)，材料规范为 AMS4083，压力管路采用钢管(21Cr6Ni9Mn)或钛管(Ti－3Al－2.5V)，钢管材料规范为AMS5561，钛管材料规范为AMS4945。

为适应飞行过程中气动力下机翼结构的变形，液压能源系统管路布置时有以下解决办法:(1)管路安装采用支架与机翼结构连接，使管路与机翼结构变形协调。(2)液压管路支撑布置间距根据管径的不同进行合理分布。(3)液压管路在一定距离内进行适度弯曲，以储存变形余度。(4)采用比管径大千分之二的定位卡箍来适应机翼变形。

由于复合材料机翼和金属材料机翼的变形量不同，基于以上管路材料以及布置的基础设计后，需进一步对复合材料机翼中管路开展专门的应力分析，验算管路材料选用是否要进行适当调整。确保分析结果中，管路和支架不出现较大应力，各方向的变形协调，保证管路不产生大的局部变形，且变形后不与周边结构干涉。

4 复合材料机翼上液压能源系统的散热

液压能源系统工作时会产生大量的热量，机翼燃油箱是液压能源系统散热的重要通道，液压能源系统通过辐射和对流将热量传给燃油，燃油再通过结构进行散热，因此必须考虑适航条款CCAR25.981中的燃油箱点燃防护要求。由于复合材料和金属材料的传热性能不一样，需要建立新的散热模型进行分析，以保证液压能源系统在工作过程中，处于机翼燃油箱中的管路温度满足燃油系统的温度要求，避免液压管路成为点火源。

5 结束语

本文结合液压系统管路设计特点，给出了液压系统管路在复合材料机翼上设计难点的解决思路，对今后液压系统管路在复材机翼上的设计有一定的指导意义。随着复合材料在飞机上的应用比例增加，液压系统需逐步开展复材机翼上液压管路闪电防护试验研究、液压管路热应力仿真研究等工作。

［1］郦正能.飞机部件与系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［2］王占林.飞机高压液压能源系统［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［3］李艳军.飞机液压传动与控制［M］.北京:科学出版社，2009.

［4］夏鹤鸣，范平，韩定邦.民用飞机机翼液压管路设计探讨［J］.机械制造与自动化，2012，41(2):32 －33.

［5］苏云洪，刘秀娟，杨永志.复合材料在航空航天中的应用［J］.工程与试验，2008(12):36－38.

［6］肖翔，夏雨冰，姜逸民.超薄翼型上液压系统布置的设计分析［J］.民用飞机设计与研究，2010(12):6 －8.

［7］中国民用航空总局.CCAR－25－R3运输类飞机适航标准［S］.北京:中国民用航空总局，2001.

The Analysis of Hydraulic System Tubing Design in Composite Wing

XIA Heming，PIAO Xuekui，FAN Ping，YANG Hualong
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai，210201，China)

The wide application of the increased proportion of composite materials in the civil aircraft structure design is changing the design requirements of aircraft system.It introduces the new challenge about the hydraulic power system installation，lightning protection，tubing stress analysis，provides some solutions.

Composite;Hydraulic Tubing;Wing

V37

A

2095－509X(2013)05－0052－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.013

2012－10－08

夏鹤鸣(1983—)，男，江苏如皋人，上海飞机设计研究院工程师，硕士，主要从事民用飞机液压能源系统的设计工作。