民用飞机垂直安定面结构型式分析

李洪昌

摘 要：垂直安定面用以保证飞机航向的平衡与稳定性，并悬挂方向舵以对飞机实施航向操纵。垂直安定面结构型式的选择将直接影响其刚度和强度性能，选择合适的结构型式，可以使飞机在结构重量，制造和运营、维护成本方面更具优势，进而提升飞机的市场竞争力。该文通过对目前航线上运输类飞机垂直安定面结构型式的归纳、对比和分析，总结出垂直安定面各种结构型式的优缺点，可供相关飞机设计人员参考。

关键词：飞机 垂直安定面 结构型式

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0071-02

垂直安定面用以保证飞机航向的平衡与稳定性，并悬挂方向舵以对飞机实施航向操纵。垂直安定面结构不仅要承受自身的气动和惯性载荷，还要承受方向舵通过其悬挂接头和操纵接头传递的集中载荷。为达到足够的临界颤振速度和确保方向舵的正常偏转，垂直安定面一般按刚度设计，而结构型式的选择将直接影响其刚度和强度性能。根据总体和功能要求，选择合适的结构型式，可以在满足刚度、强度和功能的前提下，减轻垂直安定面的结构重量，或者改善其工艺性、维护性，从而提升飞机的经济性和市场竞争力。

该文针对目前航线上运营的主要客机，对其垂直安定面的结构型式进行了对比分析，总结了不同结构型式的优缺点及其对制造工艺的要求，以供相关工程设计人员参考。

1 垂直安定面盒段结构型式

目前民用飞机的垂直安定面盒段大致有两种结构型式：一种是双梁（或带辅助中梁）+翼肋和壁板组成主承力翼盒的“单闭室”结构，空客各型客机、波音737以及高平尾布局的MD82/90和CRJ各型飞机的垂直安定面均采用这种结构型式；另一种是主承力翼盒+辅助扭力翼盒（前缘舱）的“双闭室”结构，这种结构型式从波音747客机开始使用，一致延续到最新的787客机。两种结构型式如图1所示。

对比两种垂直安定面盒段的结构型式可以发现，“单闭室”盒段的结构较为简单，结构件少，有利于简化装配工艺；而“双闭室”的结构则相对复杂，结构件较多，装配工艺较为烦琐。但采用“双闭室”型式的垂直安定面由于在前梁前面增加了辅助梁（前缘梁），使得垂尾前缘的抗鸟撞性能大为提升，也提高了垂尾的抗扭刚度，同时辅助扭力翼盒的设计也为系统构件提供了安装空间，便于对运营飞机垂尾内系统构件的检查、维护和更换。

归纳两种结构型式所涵盖的机型还可以发现，波音公司从747一直到787飞机，均采用了“双闭室”的垂直安定面，而空客公司的各型飞机和波音早期机型737则采用“单闭室”型式的垂直安定面，这种设计理念的不同主要应归因于欧美适航条款对于垂尾抗鸟撞要求的差异。欧洲航空安全局（EASA）在其运输类飞机适航标准CS-25.631中要求，尾翼结构应能承受重1.8kg鸟的撞击。而美国联邦航空局（FAA）受1962年“子爵号”空难事件的影响，在其后修订的FAR-25.631中，增加了对尾翼结构能够承受重3.6 kg鸟撞的要求[1]。由于FAR-25对鸟撞要求更为严格，因此波音公司的客机采用“双闭室”型式的垂直安定面，这种结构型式在保证适航条款对抗鸟撞要求的同时具有重量优势，国内某型飞机进行的垂尾前缘鸟撞试验也验证了这一点。

2 垂直安定面与机身的连接型式

垂直安定面后方悬挂方向舵，下端固定于机身上。在投入航线运营的客机上，垂直安定面与机身的连接型式主要有三种：

梁框连接型式：垂直安定面的梁插入机身与机身隔框连接。

整体接头型式：垂直安定面复材壁板下端伸出耳片与机身的双耳接头连接。

独立接头型式：通过主承力翼盒下端的独立金属接头与机身连接。

三种连接型式的示意图见图2。

梁框连接型式在高平尾布局的飞机中较为常见，如MD82/90，CRJ等。这种垂直安定面与机身的连接型式传力直接，连接牢靠，连接刚度大，适合于对垂尾刚度要求较高的高平尾布局飞机。但梁框连接型式的垂直安定面与机身工艺分离面不明确，垂尾需要与机身装配后整体交付与运输，不利于多个制造厂商的分工协作，而且垂直安定面中梁的缘条和腹板一般为分离设计，仅适用于金属结构的组合梁，故在复合材料垂尾的飞机中不采用这种连接型式。

整体接头的连接型式多见于空客的飞机，如A300、A320、A330及A380等，这种连接型式用于复合材料结构的垂直安定面，其结构简洁，连接件少，传力路线连续且简单、直接，垂直安定面根部的接头与复合材料加筋壁板设计为一个整体，可以避免传力路径的转折，减少附加弯矩的产生，能以相对较轻的重量来满足结构强度和功能要求，同时也使装配工艺得到简化。但这种整体接头的连接型式也有很大不足，首先是由于接头处厚度很大，对制造工艺的要求非常高，复合材料制件固化后的变形控制比较困难，而且加筋壁板整体接头的成型工艺复杂；其次是垂直安定面与机身接头的配合精度要求高，需要专门的工装配合；再次就是飞机投入航线运营后，连接接头一旦损坏，其修理和更换将及其困难。

独立接头的连接型式一直被波音公司所采用，如757、767、787等，波音737与747飞机垂直安定面与机身的连接型式也可归属于这一类。另外，空客公司最新的A350飞机也采用了这一连接型式。独立接头连接型式的优点是零件制造工艺相对简单，结构传力分工明确，连接结构损坏后的修理和更换也比较方便，维护和修理成本较低。但其缺点是连接件多，装配复杂，且重量相对较大；连接件受力中心线与壁板蒙皮存在偏心，局部蒙皮要承受较大弯矩；壁板与接头件需要机械连接，壁板上的螺栓孔将导致复合材料的纤维被剪断，强度损失比较大。

3 结语

欧美适航条款对飞机抗鸟撞要求的差异，直接影响着垂直安定面盒段的结构型式。中国民用航空规章CCAR-25-R3中对尾翼抗鸟撞的要求与FAR-25相同[2]，而“双闭室”的垂直安定面对于飞机抵抗鸟撞有显著优势，故这种结构型式对国产飞机的设计更具参考意义。

对于复合材料结构的垂直安定面，在三种与机身的连接型式中，整体接头型式或者独立接头型式是较好的选择。整体接头型式连接效率高，结构重量轻，这种连接型式原来一直被空客公司所采用，也是其复合材料结构设计和制造的典范，但在其最新的A350上，却改用了独立接头的连接型式，垂直安定面根部与机身件通过五对金属接头连接，这也是空客公司对飞机的结构重量、制造、维护和修理成本均衡考量后的优化结果。

参考文献

[1] 张柱国，郝一鸣.运输类飞机鸟撞及符合性验证综述[J].航空科学技术，2013（6）：

1-4.

[2] 运输类飞机适航标准.中国民用航空规章第25部，CCAR-25-R3.中国民航总局[S].2001.endprint