民用飞机样机设计要求研究

王 哲 范 林 李国彬

（中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

民用飞机样机设计要求研究

王 哲 范 林 李国彬

（中航工业一飞院，陕西 西安 710089）

论述了样机主要功能和分类，研究了民用飞机样机的总体要求，设计准则，结构、强度、系统、制造精度、样机审查等要求。对在研民机型号提供参考。

民用飞机 ；样机设计 ；精度

民用飞机样机一般指物理样机，能在飞机型号研制较前期达到验证飞机技术状态和飞机总体技术协调性的目的，设计得当，可以缩短研制周期、节约研制经费，因而在飞机型号研制领域得到广泛的应用，在飞机型号设计过程中占有重要位置。

样机研制主要功能具有以下几项功能。

展示功能：直观反映总体设计思想，展示总体布局方案，全面、真实反映人机界面和座舱内部布局情况，同时可用于市场营销策划和市场宣传。

协调功能：驾驶舱、客舱、货舱、设备舱等布置协调；系统、结构使用维护性设计协调。

验证功能：对座舱布局的使用性、安全性和舒适性进行现场感知和审查，验证人机界面的工效性以及生产组织流程预演检查等。

研究平台：为座舱布置和人机工效的后续研究提供硬件平台。

根据不同需求，样机大致可分为以下3类：

第Ⅰ类样机，用以确定形状，安排空间或表示一种构思，要求形状、尺寸按图纸，无需精确。一般可用木质、塑料或金属代用品等廉价材料制造。

第Ⅱ类样机，用作详细设计以及作为技术协调，要求尺寸与图纸一致，并按图纸设计要求进行组装。在机头范围内的全部结构采用真件或外形、空间、尺寸与飞机完全一致的模拟件。对仅进行空间尺寸协调的系统、设备，可用仿真件代替。天线及天线罩不要求电性能，可采用模拟件。

第Ⅲ类样机，用于实际生产前检查和表明飞机结构、系统安装、设备安装及其管路设计的合理性和可行性，保证所有安装产品允许的公差要求。一般应采用产品材料予以制造。结构按全状态设计，原则上不简化。由于特殊原因，在满足强度、刚度和几何空间尺寸协调要求的情况下，对于次要、非承力件可以适当替换材料，透明件在满足形状、透明度要求的情况下可采用模拟件。

1 总体要求

样机的特征应反映指定飞机的实际特征。除非另有规定，样机应全尺寸体现飞机，且能检查出飞机与有关设备的匹配关系是否合适，特别是驾驶舱和客舱、总体布局、视野、照明以及人员安全等情况。样机外形按真实状态设计，只要求以轮廓结构形式表示出来，无需精确构造，但对于影响视界和重要空间间隔的构件尺寸、关系、位置则应仔细安排，应精确模造。样机设计应考虑为适应飞机方案调整引起的更改，也应尽量确保设备的一般布局和安装满足适航要求，且在真实飞机上不会做根本性的修改。位于可能影响设备的维修、拆卸或者可能影响机组人员应急撤离区域内的电缆、管路、结构件均应予以模造；悬吊整机及手工装卸重型部件所采用的设备（包括机上的和地面的）应予以模造，除非另有规定，不需要按实际材料和重量模造，但要安装在具有实际尺寸和形状的位置上。操纵机构、极限位置、行程、方向均应予以精确模拟，且主要结构应能模拟舱门、口盖的打开与关闭，以及起落架、活动面的收放运动；如有必要，某些机件运动部位的机体蒙皮可用透明板面替代，方便观察及演示。需要重新定位的部件、构件，改变其位置时，应拆卸方便，操作简单。具有安装和存放两种位置的部件、构件应放在安装位置上，其存放位置也应予以模造。所有需要识别的部件、构件都应明确的标以标志和名称。用以维护动力装置部件及需要维护的其他部件的设施都应予以模造并标以标志和名称，还应提供他们涂有标志的检查口。系统尽量完整、准确反映真实状态，并与结构充分协调；线缆、管路、连接器应能准确反映真实的直径、转弯半径。利用飞机左右对称性，适当开展多方案设计和试制，通过实际模造协调对比进行优选。不要求气密、油箱密封的工艺实现以及防火、耐高温和电性能等功能实现。样机和数字样机应同时协调，相互补充完善。为节约成本，加快研制进度，允许仅研制协调量大、适航符合性要求严苛的机头段样机。

2 设计准则

2.1 外形

样机外形应真实反映飞机的外形。机头、舱门、短舱、运动协调区、对接区等部位应按真实状态设计、控制。按不同种类样机要求确定水平测量和外形公差要求。

2.2 布置

样机布置是飞机总体布置技术方案的真实反映，应模拟飞机主要结构，并通过全系统协调，明确飞机设计状态。系统全状态协调，便于布置优化。主要对驾驶舱、客舱、货舱、起落架舱、短舱和吊挂、设备舱及机翼等区域进行详细模造；结构及系统的尺寸、位置、安装形式应准确反映设计图样，保证协调更改设计的一致性。驾驶舱的视界以及显示器、仪表、控制板/开关、操纵装置、座椅、舱门、应急撤离和生活设施等应模拟真实状态，满足人机工程检查和评估要求。设备舱内布置及舱门、口盖设置、维修性检查应真实模拟。飞机地面加油、电源、注液、充气保障接口应真实模拟，以便进行维护保障检查。根据实际条件，选择样机典型装载构型进行货舱装卸模拟。应考虑初步的区域安全性分析检查。

2.3 强度

样机结构应能承受样机的重量、登机人员重量、反复拆装、吊装、支撑等载荷，不应出现损坏以及影响样机使用的变形。样机驾驶杆或操纵盘、油门杆、方向舵脚蹬机构、走道、工作平台、梯子、栏杆和连接结构应能满足反复、苛刻的使用条件。样机通过托架或起落架撑于地面，并要求具有足够的强度以满足样机的使用要求。

2.4 外观效果

样机按照外部喷漆设计方案和口盖、标识设计方案进行外观效果真实模造。

2.5 地面保障

设置样机托架、顶起机构，满足样机及装配等支撑要求。配置有关部位的多构型（如发动机、起落架、装载物等）地面陈列支撑托架。各大部件设置吊装接口，方便吊装装配。样机有运动机构检查/试验的能源供应，以及供保障接口验证的地面接头，包括地面加油、电源、注液、充气等。

2.6 人机工效

在研制方案的最初阶段和在制造原型样机之前，对与第Ⅰ类样机、第Ⅱ类样机涉及人机工效的设备全尺寸立体模型应予以模造。提供的人机工效方案应详细说明。工作间满足确定由人使用的设备的尺寸、形状、布置和控制板内容安排的适应性，模型可采用廉价、易加工材料制造。

3 样机设计

3.1 机体结构

样机机体结构一般由机身结构、机翼结构、尾翼结构、起落架结构等组成。

3.1.1 机身结构

机身结构一般应予以完全模造，包括驾驶舱、客舱、货舱、货物装卸设备、设备舱、卧铺、厨房设备、卫生设备、舱门、窗口、应急撤离装置、手柄、台阶、悬挂或顶升装置等，要求如下：分离面、大部件对接应模拟真实状态；运动机构形式和原理应予以准确模拟，相关运动机构可通过地面能源在终端操纵实现；舱门、口盖的开、关过程应予以功能模拟；应考虑生产和使用中能进行吊装／叉装；系统、设备的机上安装部位应尽量模拟真实状态；提供外部观察的透明件（包括驾驶舱风挡以及各种窗口），应能满足视野要求；雷达罩、天线罩等可采用尺寸、形式相同和重量相近的模拟件，不要求电性能实现；所有外露结构应尽量采用与真实飞机相同的材料制造，非外露部分可采用其他材料替代。不管采用何种材料模造，其外形和内形尺寸、定位要求准确，与飞机一致。风挡窗框为高精度区域，采用金属件，风挡采用透明件，其曲率半径、厚度、框架宽度、透明度等应与真实飞机相近；驾驶舱地板、货舱地板是样机的主承力件，作为样机基准，其位置、尺寸、空间、形状必须与飞机完全一致，地板骨架应采用真实件；驾驶舱、客舱、行李舱、货舱、货物装卸设备和设备舱、盥洗室、舱门、窗口、行李箱、内饰、应急离机装置、手柄、台阶、系留装置、悬吊或顶升装置等，应予以完全模造；驾驶舱按机组人员编制设计，驾驶员座椅（含座椅滑轨）采用真件，驾驶杆、脚蹬用仿真件或真件；驾驶员和乘客的应急撤离路线应准确标识；驾驶舱仪表板、遮光罩、中央操纵台等应易制造、易维护，可更改，以适应飞机布置研究和人机工效的验证；驾驶舱下列装置应有运动的功能：驾驶杆、脚蹬、油门杆、扰流板手柄、襟缝翼手柄、起落架收放手柄、起落架停机刹车手柄、起落架应急放手柄、前轮转弯手柄、灭火手柄等。

3.1.2 机翼（含尾翼）结构

左侧机翼应予以完全模造。所有活动面（包括平尾、升降舵、方向舵、副翼、前后缘襟翼、扰流板等），至少是飞机的左侧部分，应能协调运动，以便检查活动面与地面和飞机外挂物之间的间隙。右侧机翼在必须验证检查窗口或左、右机翼非对称安装部分时，需要予以模造。多发飞机上，如果右侧机翼发动机安装或整流罩等的结构形式不同于左侧机翼，可部分模造右侧机翼上的含发动机短舱的不同结构。也可用其他方法在空间模拟部件的位置关系。

3.1.3 起落架

相应于静止1g过载条件下的起落架、辅助起落架及其收放机构、整流装置应予以模造，实现飞机支撑、起落架维护等功能模拟。可收放起落架应能从收上位置移至放下位置，进行收放运动检查，但不必从驾驶舱内操纵。

3.2 系统

样机应模造飞机主要系统，主要包括动力系统及辅助动力装置、燃油系统、飞控系统、航电系统、起落架控制系统、液压和操纵系统、应急撤离和生活设施、内饰和照明系统等。对于尚未完成研制的系统附件，可提供模拟件。

3.2.1 动力系统及辅助动力装置

动力系统及辅助动力装置要求如下：发动机采用模拟件或真件，发动机本体及安装接口应反映真实状态，应能按实际要求在样机上进行拆装；发动机、辅助动力装置（APU）等防火、耐高温区结构设计不要求功能实现；发动机附属设备如各种泵、管路、控制机构等以及动力系统的供油、通风、冷却、灭火等按真实尺寸、形状和位置予以模造；发动机短舱及吊挂应全状态真实模造，包括进气道、反推装置、骨架结构、安装接口、系统布置等；发动机操纵系统机械部分模造以空间协调为主，不必控制终端油门。油门操纵台的形式、尺寸、位置、行程、限位装置等应按真实状态模拟；辅助动力装置采用模拟件，应真实反应尺寸、形状、位置、接口等，应能按实际要求在样机上进行拆装；驾驶舱的发动机控制板、APU控制板采用模拟件，应能模拟相关操作。

3.2.2 燃油系统

燃油系统的主要结构应予以模造，并要求：油箱内的分系统附件、管路通过数字样机进行协调，物理样机可不进行模造；模拟发动机短舱、吊挂的发动机以及供油系统、APU供油系统供油泵、切断阀、管路等；压力加油接头、控制板、管路以及燃油管理计算机和油箱外测量组件进行模拟；驾驶舱的燃油控制板应能模拟相关操作。

3.2.3 飞控系统

飞控系统主要进行机构运动和布置协调，不必控制活动面，活动面运动通过地面能源在终端操纵实现；飞行操纵机构（包括驾驶盘、脚蹬、载荷机构、作动器等）应完全模造，驾驶舱部分应反映出机构的运动形式、中立位和前后行程、调节位置和行程、限定位置等，并设置杆力机构对人员操作时力的感觉进行模拟；模拟襟缝翼、水平安定面、扰流板等操作开关的形状、运动形式；应急机械备份操作的机构、通道进行模造，不必控制活动面；飞控的计算机、舵机、线缆通道进行协调模造，操作面板采用模拟件，应能模拟相关操作；操纵系统的操纵机构、中立位置、极限位置、行程、方向应予以精确模拟，但不必控制各操纵面。

3.2.4 航电系统

航电系统所有设备应采用模拟件/仿真件，包括计算机、接口部件、显示器、仪表及指示灯、操作控制板/盒、终端收发机、电缆、电连接器、设备的安装托架、通风口以及人员操纵台、仪表板等，主要进行空间布置协调；仪表板及仪表板安装骨架采用金属件，遮光罩及其支架组件采用玻璃钢，遮光罩衬垫组件可采用橡胶；航电设备架采用金属材料，设备架上安装的设备除功能演示需要的设备采用真件外，其余设备可采用模拟件。

3.2.5 起落架控制系统

正常和应急情况下起落架收放、前轮转弯、刹车系统的控制面板/开关指示、设备、附件、部分导管、线缆等应真实模拟形状、尺寸、位置和操作运动形式，不进行起落架、刹车功能的终端控制。3.2.6 液压和气动系统

液压和气动系统的分布、附件安装、管路敷设应尽可能完整、准确反应真实设计状态。进行布置安装协调的舱段、部位采用模拟件或仿真件，形状、尺寸、接口等与真实状态一致。维护口盖、标记模拟真实状态。进行运动功能检查和演示验证部位的液压和气动系统所用导管、接头采用真件，附件采用真件或模拟件。

3.2.7 应急撤离和生活设施

样机应真实模拟应急出口、通道、应急撤离辅助设施、撤离路线，乘员应急离机路线应准确标识。生活设施和水/废水系统模拟形状、尺寸、位置，不要求功能实现。行李箱、厨房、衣帽间、盥洗室及其内部设备采用模拟件，仅准确模拟其尺寸和位置，不进行功能模拟；厨房的前壁面和通道壁面结构等内部隔板结构采用轻质材料模造，但应保证安装连接可靠，满足强度刚度要求，表面贴装饰覆盖层；日用品和五金件尽量采用真件，如有困难，改用模拟件；表面装饰采用真件或仿真件。应考虑模拟驾驶人员在舱内有较舒适的环境，驾驶舱内应根据真实飞机的设计设置相应的通风口，是否需要制冷应根据实际情况决定。

3.2.8 内饰和照明系统

样机内部应设照明系统，尽量按照真实状态进行舱内照明设计，提供近似真实的人机工程评估环境；照明系统应满足样机正常操纵和使用的要求，照明系统的外观、位置、功能、照度及颜色等应与真实飞机相同；驾驶舱内的照明系统采用真件，安装到协调确定的位置上；要求仪表、显示器等真件按原理接线图进行供配电，完全能模拟民用飞机照明设计要求，以保证所进行的人机工效、驾驶舱照明评估等功能试验真实可信；外部照明按照飞机型号外部配置要求模造，不强调功能实现；除按要求布置安装的照明系统外，在样机可增加临时照明，临时照明采用有外保护网的安全型民用照明灯，且外保护网上应有挂钩，以便移动、悬挂；采用地面电源应在终端实现照明控制；驾驶舱顶部控制板、遮光罩和座舱内装饰等要求外形真实，其上的控制器和显示器采用模拟件，在照明样机阶段要求这些设备及其上的部件使用真件。必要时，驾驶舱仪表板和操纵台上的显控设备采用成品照明件，进行舱内照明环境人机工效评估检查。

4 样机制造精度及评审

4.1 模造精度

结构设计应保证风挡、地板、窗口、舱门、运动机构、对接面、活动面、真件等高精度部位以及相关区域安装协调、操作维护等重要部位的精度要求。系统、设备安装布置协调设计应保证装机要素准确以及真实模造部位、协调关系复杂部位、操纵运动机构、仪表板和操纵台、人机协调、货舱功能系统、电连接器等精度要求。外形容差，对木质材料一般区域5mm，主要区域3mm，最大累积误差10mm；对金属材料一般区域3mm，高精度区域1mm。第Ⅰ类样机、第Ⅱ类样机可放宽要求。

4.2 样机评审

样机可独立评审，也可结合研制阶段评审，准备各阶段评审前的资料（如：样机检查目录及要求、与样机设计有关的专用规范标准的副本，以及与样机检查相关的飞机研制过程、目的和任务等）。组织成立相关评审机构，必要时有适航代表参加。评审机构负责组织评审计划，包括：拟定评审期限、评审项目、评审要求及评审程序，并组成多个专业小组。对样机的任何修改，都应等到样机评审机构的同意，并由设计部门尽快完成，如果在评审期间不能完成修改工作，可由样机评审机构指定代表在设计部门做出修改后重新予以检查认可。样机评审时，需提供样机设计细则和主要项目研制规范的副本、草图等。样机评审机构按样机评审计划召开评审会，评审完毕给出评审结论。

5 结束语

飞机物理样机相对于数字样机，可以真实地验证和落实进入详细设计之前设计和工艺技术方案的可行性、协调性，检查使用要求的符合性，提前暴露设计方案中存在的缺陷，尽可能避免研制工作的反复，优化和冻结飞机技术状态，并可作为改进改型研制协调平台。也可验证重要结构件的工艺性，兼顾总体布置协调、系统安装协调和维修性检查等。总之，物理样机愈来愈成为民用飞机研制的一项重要内容。

（编辑：雨晴）

V229+.5

C

1003–6660（2015）02–0019–05

10.13237/j.cnki.asq.2015.02.005

2014-11-14