一种新型飞机的吊挂后缘设计

闫明鹏

（上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210）



一种新型飞机的吊挂后缘设计

闫明鹏

（上海飞机设计研究院结构设计研究部，上海201210）

摘要：新型飞机的吊挂后缘结构主要由框、梁、蒙皮组成，远离高温区。框和梁布置在一个腔内，便于排液和通风，同时应满足强度、刚度、声疲劳设计要求。

关键词：吊挂；后缘；排液；声疲劳

吊挂是飞机最重要承力结构，承担发动机所有载荷，是全机关键结构件。吊挂直接悬挂发动机，工作环境恶劣，每次飞行均处于强机械振动、高温、强声振动环境中[1]。吊挂后缘位于吊挂后部，介于机翼和发动机尾喷口之间。它的主要功能是整流维形，一方面减少因吊挂、短舱置于机翼之下引起的扰流对机翼升力的不利影响，另一方面隔绝发动机尾喷口喷出的高温气体、火花等，消除对吊挂后缘内部非耐火结构、系统管路等的不利影响。吊挂后缘外形的设计兼顾气动、结构、系统布置等因素，各方面是相互制约的。

某新型飞机吊挂后缘由发动机内涵道直接斜拉连接到机翼上，后缘角在15~20°之间，不仅有利于减小吊挂表面分离，也有利于吊挂成型。吊挂宽度相对于传统挂架增加25%，后缘收缩快，对气动力带来不利影响。虽然后缘收缩可以减小摩擦阻力，但由于吊挂宽度较宽，吊挂后缘气流急剧收缩，极容易导致气流分离。同时后缘收缩过快，后缘内部空间严重不足，系统布置、结构设计面临严峻挑战。

根据飞机设计手册和总体气动设计要求，本文将介绍某新型飞机吊挂后缘的结构形式和设计方法。

1　设计要求

新型飞机吊挂后缘的载荷包括是自身重量和气动载荷，这些载荷主要依靠机翼下的接头传至机翼[2]。根据适航要求，参考现有机型，提出新型飞机吊挂后缘的设计要求如下：

（1）吊挂后缘结构应满足强度和刚度要求，按损伤容限准则设计，结构寿命应与飞机目标寿命相一致；

（2）吊挂后缘结构还应不影响吊挂结构的应急断离要求，在应急着陆超载时，确保吊挂、短舱、发动机脱离机体，而不会撕裂机翼整体油箱，造成燃油泄漏，引发火灾；

（3）吊挂后缘应设计成能经受发动机尾喷处火焰和发动机尾喷气流产生的高温；

（4）吊挂后缘材料应考虑在高温环境下能耐高温和耐腐蚀（包含密封件材料）；

（5）吊挂后缘中应有排水通路和密封措施，使水排出吊挂后缘结构外而不进入发动机；

（6）吊挂后缘应为系统管路或线缆提供空间通路和支持；

（7）吊挂后缘壁板上应设置系统和吊挂接头的维护口盖；

（8）单侧重量不超过25 kg.

2　载荷分析

2.1气动载荷

后缘的气动载荷主要来自机翼下表面气流、发动机短舱绕流、发动机外涵道低速气流和内涵道高速气流，同时受飞行状态下阵风扰流的影响。正常飞行状态下，经验上后缘内外压相差3.0 psi；在诸如大角度偏航的极限工况下，左右压差经验值是2.5 psi（如图1所示）。

图1　气动载荷极限工况示意图

2.2惯性载荷

吊挂结构在巡航状态下，垂直方向过载最大为8 g（g为重力加速度）（向上最大过载6g，向下最大过载8g），侧向过载最大为4.2g.后缘结构与机翼接头的连接接头设计与此过载一致。

3　布置方案

现新型飞机吊挂后缘方案布置下，后缘结构中各接头受力示意如图2所示。

图2　布置方案

主要特点：

（1）后缘结构的重量和侧向气动载荷由1框、2框、4框、5框（沿航向依次排布）处布置的接头承受；

（2）航向载荷主要由2框处布置的结构承受；

（3）1框下方布置角盒，提供机翼展向约束，抵消侧向载荷作用在后缘上的弯矩。

4　传力分析

气动吸力和压力主要作用在与航向有一定夹角的外形曲面上，因此后缘侧面受到的载荷可以分解成两个方向，一个垂直于航向，另一个沿着航向。在垂直于航向的面内，或与之平行的面内，依靠接头承剪传递相关气动载荷到机翼中实现平衡；在平行于航向的面内，载荷通过侧壁板传递给由框和梁构成的框架，集中在2框连接的接头上，在机翼接头上达到力的平衡，主要载荷情况见图3.

图3　主要载荷

5　后缘结构组成

后缘可以分为前后两部分，其中前部分由上部结构和下部结构两部分构成（图4所示）。

图4　吊挂后缘主结构组成图

前后缘上部结构主要由铝合金框架结构、碳纤维侧壁板组成；下部由钛合金框架和壁板组成。后缘由铝合金框架和碳纤维蒙皮组成。

新型飞机发动机尾喷设计优化了温度区分布，后缘外形收缩较快，使该结构底部远离高温区，可以不进行高温防火设计。

该结构主要以框、梁、蒙皮为支撑结构，远离高温区，框和梁布置在一个腔内，便于排液和通风设计，满足强度、刚度设计、声疲劳要求。传统结构下部材料通常采用高温合金或钛合金，保证其高温下的性能满足要求。支撑结构和蒙皮全部采用低温、比强度高的材料，不仅大幅降低了整体结构的重量，还降低了与机翼接头的强度要求，易于刚度设计，防止声疲劳。支撑结构中多个框前后排布，易于定位、装配，空间开敞，检修可达性强；上梁分成多段，连接框与上蒙皮。优化后的上梁减低了上蒙皮悬伸量，增加刚度于拆卸、更换；下梁也分成多段，连接框与下蒙皮。下梁位置优化后，下蒙皮尺寸和悬伸量减小。蒙皮分块可以根据内部重要件检修要求，易于更换，提高了经济性。其中，后蒙皮和下蒙皮分别作为一个整体，连接至主结构，易于拆卸和更换。

与现有技术相比，有以下优点：一是，整体结构远离高温区，框和梁布置在一个腔内，便于排液和通风设计；二是，支撑结构和蒙皮全部采用低温、比强度高的材料，不仅大幅降低了整体结构的重量，还降低了与机翼接头的强度要求，便于刚度设计，防止声疲劳；三是，多个框前后排布，易于定位、装配，空间开敞，增强了检修可达性。

参考文献：

[1]章仕彪.民用运输机吊挂设计强度要求研究[J].民用飞机设计与研究，2012，（01）:37-42.

[2]孙滨，林鸿志，谭伟，等.发动机吊挂与机翼连接接头强度分析与试验[J].航空工程进展，2012，（03）:48-53.

中图分类号:V268.1

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0092-03

收稿日期：2016-01-29

作者简介：闫明鹏（1986-），男，河南人，工程硕士，工程师，研究方向：民用飞机吊挂结构设计。

A New Aircraft’s Pylon Afterfairing Design

YAN Ming-peng
（Shanghai Aircraft Design and Research Insititute Structure Design and Research Departement，Shanghai 201210，China）

Abstract：The new aircraft’s pylon afterfairing，which is far away from high-temperature area is assembled by frames，beams and skins.Frames and beams is lay in a cavity，which is designed for drainage and ventilation and is satisfied by strength，rigidity and acoustic fatigue’s design requirements.

Key words:pylon；afterfairing；drainage；acoustic fatigue