民机复合材料平尾安定面两种结构布局分析

刘杰

摘 要：越来越多的民用飞机平尾采用复合材料制造，该结构通常采用两种典型布局，即双梁多肋式结构布局或多梁（墙）式结构布局。从适航、重量、装配和结构承载等多个角度对两种典型复合材料平尾结构布局进行了分析，提出多梁或者多墙式布局的缺点和不合理性，并建议采用双梁式布局。

关键词：复合材料；平尾；多梁；适航审定

中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）14-0001-02

由于复合材料具有较高的比强度、比刚度、疲劳特性好、耐腐蚀等优点，本文以平尾安定面的两种典型结构布局为研究对象，并从复合材料平尾结构的适航符合性角度进行分析。

1 平尾的设计要求和典型布局

平尾主要用来平衡飞机其他部件因空气动力和惯性力所产生的力矩和操纵飞机做俯仰机动。设计平尾时，需要注意满足以下几方面的要求：①气动外形要求。用来满足气动阻力和升力特性的要求。②强度—重量要求。应能承受各种规定载荷的强度或刚度要求，同时在飞行范围内不得发生静、动气动弹性的不稳定现象（颤振、发散等）。③使用维修要求。应考虑平尾安定面是承受重复载荷作用的部件，对结构的检查应具有良好的可见性、可达性和快速、高质量修理的能力。④工艺性要求。由于平尾的翼型较薄，主盒段翼盒高度低，结构高度小，装配通路狭窄，更应注意良好的工艺性设计。

平尾安定面常采用两种典型的结构布局，即双梁多肋式和多梁（墙）式。B737，B757，B767，A320，A340-300，A340-600，A350，C919等主流民用飞机的平尾均采用双梁多肋式结构布局。F16和B787的平尾则采用了多梁式结构布局。

2 胶接结构的适航审定要求

民用飞机的结构必须考虑适航符合性。所谓的胶接是指通过胶接工艺形成的结构连接，是由一个或多个预先固化好的复合材料或金属零件组成的结构。民用飞机复合材料平尾由于装配高度小、机械连接难度大，往往采用共固化或共胶接的方式装配。

对于复合材料胶接结构的适航审定，通常按照咨询通告AC20-107B进行。AC20-107B指出，14 CFR§23.573（a） 对主要复合材料机体结构正式规定了如下要求，包括对损伤容限、疲劳和胶接连接的考虑。虽然这是针对小飞机的准则，通常预期对运输机和旋翼机类飞机会采用同样的性能标准（通过专用条件和问题纪要）。（a）对于任何胶接接头，§23.573（a）（5）部分规定：“对任何胶接连接件，如果失效可能会造成灾难性的后果，必须至少用下列一种方法验证其限制载荷能力：①用分析、试验或两者兼用的方法确定每个胶接连接件能承受（a）（3）载荷的最大脱胶范围。对于大于该值的情况，必须从设计上加以预防；②对每个将承受临界限制设计载荷的关键胶接连接件的批生产件进行验证检查；③必须建立可重复的、可靠的无损检查方法，以确保每个连接件的强度。”

根据EASA适航当局官员的建议，应避免采用全胶接结构形式，由于目前还无法预测开胶，证明损伤容限要求相关的符合性是十分困难的。通常要进行假定两个机械连接或紧固件之间全部开胶的限制载荷试验。另外，所有胶接连接应保证无损检测时具有充分的可达性。

3 平尾典型结构布局分析

平尾结构布局采用何种形式更好，通常根据在满足同样设计要求的前提下，结构重量最轻，且易于适航审定的原则判定。

双梁多肋式平尾布局的优点分为以下几个方面：①结构制造成本低，抗扭刚度高，抗颤振品质较好，且结构效率高，结构重量较轻；②两个梁根部常采用集中接头与机身或者平尾中央盒段连接，装配方便；③翼肋对升降舵悬挂支臂起到合理的支撑，传力直接、有效。

多梁（墙）式布局存在以下几方面的问题：①平尾翼型较薄，后缘安装升降舵，翼盒一般较狭小，布置空间有限，不放便布置多个梁或墙。②多梁布局的平尾如果采用多个集中接头连接，装配界面复杂且精度不易控制，增加了装配时间和成本。③平尾所受的扭矩主要由前、后梁和上、下壁板组成的盒段承受，而多梁式布局平尾除前、后梁外，其他梁则对扭矩的作用可忽略，因此增加了结构重量。④多梁式结构布局布置翼肋时很不方便，所以平尾的气动外形不易得到保证。而且，没有翼肋的滞止，梁或墙与蒙皮之间的最大脱胶范围难以界定，适航审定难度大。⑤平尾安定面如果采用多梁式布局（无翼肋），升降舵悬挂支臂位置需要翼肋作为支撑，如果不能布置翼肋，则传力路径不合理，会导致结构增重。⑥多梁式布局结构中，长桁和蒙皮的间距较大，大大降低了蒙皮的稳定性，最终导致增重。⑦多梁式结构布局的平尾盒段被多个梁分隔为几个闭室，装配通路十分有限，装配难度加大，产品质量不易保证，报废率高。⑧即使是T型布局的高平尾，也不能避免冰雹冲击损伤的可能性，加之制造、装配、使用、维护过程中同样存在踩踏、工具掉落的可能性，复合材料胶接平尾结构必须要考虑胶接如何进行适航符合性证明。⑨军机常采用多梁布局，是为了提高战斗力和生存能力，而民机的设计显然需要考虑适航的要求。波音公司对胶接分层或开胶也制定了设计准则，需要“证明由于制造、环境或意外事故引起的胶接面损伤不会扩展到使剩余强度降低到小于限制载荷承载能力”。因此，B787平尾在选用多梁布局时也遵循该原则，这也对大多数公司的胶接结构验证技术提出了新的挑战。

4 结束语

为了满足民用飞机平尾的通用设计要求和适航审定要求，通过对现代民用飞机中多个型号的应用经验分析得出，采用复合材料的民用飞机平尾（大展弦比），宜采用双梁多肋式结构布局，而多梁（墙）式则适用于军用战斗机薄翼型（中、小展弦比）。

参考文献

[1]中国民用航空总局，第132号令.CCAR-23-R3 正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定[S].2004-10-12.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： A growing number of civilian aircraft horizontal tail made of composite materials， the structure usually two typical layout， namely dual-beam or multi-ribbed structure layout （wall） structure layout beams. Airworthiness from multiple angles， weight， and other assembly and structure carrying two typical composite horizontal tail structure and layout were analyzed， shortcomings and irrationality multi-beam or multi-wall layout and recommended dual beam layout.

Key words： composite materials； hirao； multi-beam； airworthiness certification