民用飞机吊挂—机翼后缘系统布置通道设计研究

赵海涛

[摘要]对于动力装置翼吊布局的民用飞机而言，吊挂一机翼后缘系统布置通道是最重要的系统布置通道之一。该通道周边环境复杂，系置时需要权衡各方面利弊，本文根据通道周围环境，提出三种通道设计方案，并从总体布置特性、安全性和维修性进行分析，梳理各个方案弊并提出设计建议，为民用飞机吊挂一机翼后缘系统布置提供借鉴。

[关键词]总体布置；系统布置；吊挂；机翼后缘

0引言

目前绝大部分民用飞机动力装置采用尾吊式或翼吊式，对于动力装置翼吊布局的飞机而言，吊挂一机翼后缘系统布置通道是重要的系统布置通道之一，其作用是为贯穿吊挂与机翼后缘的系统管线路提供通路。由于该通道临近机翼盒段、机翼固定后缘、襟翼、主起三角区等空间狭小、设备管线路众多的复杂区域，所以在飞机设计过程中，该通道的设计会与临近的重要结构件和系统布置方案产生相互影响，进而影响飞机的性能，所以吊挂一机翼后缘通道的布置应当与其他重要结构件及系统统筹考虑，从而获得较好的布置方案，满足飞机性能、安全性和维修性的相关要求。

本文根据吊挂一机翼后缘系统布置通道的特点，从总体布置特性、安全性和维修性三个方面进行定性分析，梳理出各个方案的利弊，并提出设计建议，为民用飞机吊挂一机翼后缘系统布置设计提供参考。

1吊挂-机翼后缘系统布置通道概述

1.1吊挂-机翼后缘系统布置通道定义

本文讨论的内容主要基于现代民用飞机典型的总体布局形式，主要体现在以下几个方面：飞机采用动力装置翼吊下单翼布局，外翼结构采用双梁式结构，起落架采用前三点式布局，主起落架安装在机翼的根部，向内侧收入机翼肌身的主起落架舱内。

吊挂是连接动力装置和机体的结构件，除了要满足结构强度的要求外，还要满足系统的安装要求，部分系统安装在吊挂内部，还有部分系统必须经过吊挂与机体其他部位相连，这当中绝大部分为管线路。双梁式机翼在动力装置站位附近的前、后梁之间通常作为燃油箱使用，固定前、后缘区域通常布置有飞控、液压、EWIS（电气线路互联系统）等系统的设备和管线路。根据这些特点，可以确定吊挂与机体的布置通道通常有两个，一个是吊挂一机翼前缘通道，另一个是吊挂一机翼后缘通道，这两个通道由于所处区域不同，周邊结构、系统的布置要求不同，所以这两个通道具有各自的特点，其中，吊挂一机翼后缘系统布置通道周边临近外翼后梁、主起落架及其三角区结构、襟翼、扰流板等结构。吊挂一机翼系统布置通道如图1所示。

1.2通道设计思路

系统布置通道的设计方案是在综合各方面需求和方案的基础上确定的，吊挂一机翼后缘系统布置通道的设计流程如图3所示。

1.3吊挂一机翼后缘系统布置通道设计的限制因素

根据现代客机的设计特点，吊挂一机翼后缘系统布置通道周围有一些设计因素由于其重要性不能随意更改，因此会限制通道的设计，同时这也是吊挂一机翼后缘系统布置通道的特点，这些设计因素如下：

a）外翼后梁：以下简称后梁，是外翼非常重要的受力件，其位置确定之后的更改代价巨大，但可以在其上有限地开孔：

b）外翼后梁转折点：以下简称后梁转折点，对于大展弦比机翼而言，为了提高外翼的刚度和燃油箱容量，后梁通常会在主起三角区附近发生转折，并在转折处通过加强结构连接两段后梁：

c）襟翼：作为重要的升力面，襟翼外形不能受到通道的影响，其无论吊挂后缘位于机翼展向的任何位置，襟翼都是距离通道最近的部件之一：

d）主起落架三角区：主起落架三角区用于传递主起落架传递的载荷，主要由辅助梁、肋和主起落架接头组成。辅助梁一端通常与主起落架接头相连，另一端与后梁和外翼翼肋相连，所以，辅助梁/后梁连接点与外翼盒段翼肋的位置有关系。辅助梁与外翼后梁连接加强结构通常是离吊挂一机翼后缘系统布置通道最近的部件之一：

e）外翼盒段蒙皮及长桁：外翼盒段蒙皮除了外翼前后梁之间的部分，通常还包括主三角区部分：长桁用于承受机翼蒙皮的拉压变形。如果打断长桁、减少长桁长度或在蒙皮上开孔，都会对外翼蒙皮受力产生不利影响：

f）扰流板作动器、襟翼作动器及其连接结构：这些运动部件受制于活动面位置不能轻易更改位置，所以，通道必须与这些部件保持足够的间隙：

g）外翼固定后缘区域原有的系统或结构：吊挂进入外翼后缘的管线路会与原来布置在外翼后缘的系统管线路聚集在一起，且管路自身转弯需要一定的空间，布置在外翼后缘的常见系统管线路包括液压管路、EWIS线缆、飞控系统扭力管等；

h）气动性能：吊挂一机翼后缘结合区域对气动性能影响较大，表现在吊挂后缘越短、越宽。气流越容易分离，吊挂后缘越窄，越不利于系统布置，吊挂后缘越长，对襟翼的气流会产生影响，对于有些飞机采用吊挂后缘整流罩来增加吊挂后缘的空间，但是其对重量、气动性能；

i）CCAR-25R4较R3版本，新增了EWIS线路的适航要求，主要体现在EWIS线路隔离要求，这使得EWIS线路的布置难度增加。

2吊挂一机翼后缘系统布置通道设计分析

2.1通道设计方案

根据1.1节通道定义和1.3节限制因素，吊挂一机翼后缘系统布置通道的设计涉及吊挂后缘、外翼盒段、外翼固定后缘以及主起落架三角区这几个主要区域，所以，可以确定以下三种路径方案使系统管线路通过上述区域：

通道方案l：若吊挂后缘点位于辅助梁与后梁连接点以外（翼尖方向），吊挂后缘内系统管线路通过外翼固定后缘下蒙皮的开口直接进入外翼固定后缘区域：

通道方案2：若吊挂后缘点位于辅助梁与后梁连接点以内（机身方向）吊挂后缘内的系统管线路通过三角区下蒙皮的开口直接进入三角区：

通道方案3：吊挂后缘内的管线路全部或部分进入外翼后梁之前的外翼盒段，再从外翼盒段穿过外翼后梁进入外翼固定后缘区域或三角区。

下面将从总体布置特性、安全性和维修性对上述三个方案进行分析，总结出各个方案的利弊。

2.2通道方案1分析

2.2.1总体布置特性分析

本方案如图1和图2所示，若吊挂后缘点位于辅助梁与后梁连接点的外侧，利用吊挂后缘延伸到外翼后梁之后的部分，系统管线路直接由这一部分进入外翼固定后缘，需要注意通道要避开辅助梁/后梁连接结构，这是本方案的设计难点之一，除此之外，无需对外翼主承力结构进行更改，只需在外翼固定后缘下壁板上开孔即可。

根据限制条件（h），吊挂后缘点要位于襟翼之前。同时为了满足气流品质的要求，吊挂后缘外形在外翼后梁处的宽度和高度相比吊挂宽度和高度已非常小，所以这也是本方案设计的难点之一。

外翼固定后缘沿外翼展向，需要考虑避开固定后缘内原有的结构、设备和管线路，例如辅助梁/后梁连接结构、活动面作动器、扭力管、液压管路、EWIS线路等等，其中，避开结构和活动面作动器的工作必须在初步总体方案阶段就确定好，因为后期更改的代价很大。跟管线路之间的问题可以在后期的工作通过迭代的方法解决。

2.2.2安全性分析

根据1.3节（h）（i）的吊挂后缘气动外形限制和EWIS安全性要求，如图x所示，可以看出本方案用于布置的空间较小，若EWIS线路数量过多或者尺寸偏大的情况，可能会存其与液压管路和燃油箱间隙不足从而导致可燃液体被点燃的风险，所以，本文提出可以采取以下设计措施提高该通道的安全性：

1）在靠近吊挂和外翼的部位采用多个支架固定EWIS线路，这样可减小EWIS线路的振幅：

2）对EWIS线路采取增加屏蔽层和保护层的措施，该方式可以在间隙不满足要求的情况下，满足隔离的要求，不过该方法不能够明显降低布置空间的使用：

3）在EWIS线路和可燃液体管路之间不满足隔离要求的地方设计隔板：

4）吊挂后缘外形可以考虑在原始设计的基础上，在管线路布置空间不足的区域设计整流罩或可动吊挂后缘以增大系统管线路布置空间，其中，整流罩的设计对气动性能、重量、结构复杂性的影响较小，如A380内侧发动机吊挂后缘：可动吊挂后缘的设计更改量较大，对气动性能、重量、结构设计的影响较大，一般在布置通道空间严重不足的情况下采用，如A320飞机的吊挂后缘。

上述这些措施都会对飞机重量、气动特性产生影响，所以。布置方案必须要权衡所有受影响专业的利弊，在满足安全要求的基础上，对全机性能的影响最小。

2.2.3维修性分析

由于該通道在吊挂后缘和外翼固定后缘界面上的空间不足以及一些管线路本身的安装需求，如果管线路需要通过接头连接，那么接头一定不能安装在界面附近，最好能够在空间比较充裕的外翼固定后缘内安装。

吊挂后缘两侧的蒙皮可以设计成可拆卸的蒙皮，对于进入外翼固定后缘的管线路，只需要将通道附近的襟翼和扰流板打开，即可对通道内的系统进行维修。所以本方案的维修性较好。

对于使用可动吊挂后缘的飞机，位于吊挂后缘内的系统，需要拆除吊挂后缘活动部分和固定部分的结构蒙皮才能进行维护，维修性不受太大影响。

2.3通道方案2分析

2.3.1总体布置特性分析

根据限制条件（d）和本方案示意图4可以看出，辅助梁，后梁连接点和三角区肋是三角区重要的受力结构，难以更改，所以在初步设计过程中，通道的设计就应该考虑避开这两个因素，这也是本方案的设计难点之一。由于该通道在外翼的部分位于三角区之内，而三角区内由于相对封闭的特性，通常不会布置尺寸相对较大的设备，只会有一些管线路通过，所以该方案受外翼上布置系统设备的影响非常小。

2.3.2安全性分析

该方案的安全性分析与方案1类似，考虑到三角区空间相对于外翼固定后缘更小，所以该方案面临的安全性问题比方案1更严重，2，22节的设计预防措施也适用于本方案，

2.3.3维修性分析

为了能够更好地传递载荷，外翼下蒙皮通常与主起落架三角区的下蒙皮设计成一个整体，而三角区通常被主起落架接头、辅助梁、后梁、蒙皮围城了相对封闭的环境，所以，这样的环境使得三角区内的所有系统的维修性变得比较差，根据1.3节限制因素（d）（e）可知，想要对三角区的系统进行维护，只能借助辅助梁上的减轻孔，如果三角区内管线路较多的话，可以考虑在三角区上、下蒙皮上设计若干维修口盖，把管路接头布置在离维修口盖最近的地方，但是维修口盖的尺寸受三角区肋的影响，其尺寸不能太大，所以如果三角区内布置空间比较狭小，也可以把接头布置在吊挂后缘内部。

2.4通道方案3分析

2.4.1总体布置特性分析

本方案如图5所示，该方案的特点是吊挂内全部或部分系统由吊挂后缘在外翼后梁之前的站位进入外翼盒段，所以由后梁之后进入外翼固定后缘的管线路数量变少，所以布置通道和吊挂后缘外形之间的相互影响也会变小，且盒段内部空间相对充裕，可以足以布置相对较多的管线路。但是，由于盒段内部用于布置管线路的空间通常设计成无油区域，所以外翼油箱的总油量会略受影响。对于结构而言，管线路穿过下蒙皮和后梁。会影响部分外翼长桁、下蒙皮和后梁的强度，所以，对上述结构进行加强会使重量增加，所以，总体专业需要在气动性能和结构增重之间进行权衡。

2.4.2安全性分析

管线路进入外翼盒段，需要考虑油箱的安全性，所以通常将通道位于外翼盒段内的部分设计成无油区，可以避免燃油泄漏等风险的产生。

另外，前两个方案的难点是在吊挂后缘空间紧张的区域，可燃液体管路和EWIS线路隔离不够，所以，根据本方案的提供的通道，可以将可燃液体管路布置在外翼盒段，将EWIS线路布置在后梁后进行隔离，由于通过后梁之后的管线路数量减少，所以本方案对于吊挂后缘气动外形设计的影响也会大大降低。

2.4.3维修性分析

该方案由于一些管线路布置在外翼盒段内，而下蒙皮、长桁和后梁都是重要的受力件，所以无法通过在这些结构上开维护口盖的方式对外翼盒段内部的管线路进行维护，只有可能在无油区和燃油箱的隔板或翼肋上设计维护口盖，这样只有在外翼油箱燃油排掉之后才能对通道位于外翼盒段的部分进行维护，所以，如果有管线路必须要布置在外翼盒段内，必须保证这些管线路具有较高的可靠性，降低维修频率，对于不经过外翼盒段的管线路，其维修性可以参考方案1和2的维修性评估。

3综合分析和结论

本文根据吊挂一机翼后缘的设计特点，提出三种可能的吊挂民用飞机吊挂-机翼后缘系统布置通道的设计方案，并对三种的方案在总体布置特性、安全性和维修性三个方面进行了分析，以下内容将对本文之前的内容进行总结。

吊挂-机翼后缘系统布置通道的设计两个因素：吊挂一机翼气动性能和临近结构布置及强度这两个因素，其中，系统布置通道对气动性能的影响主要表现主要在气动阻力的增加，而为了满足气动性能，系统布置通道也会受到吊挂外形的限制，另外，吊挂一机翼后缘区域临近主起落架、三角区、外翼后梁等重要受力結构件，通道的设计必须在初步设计阶段确定好与上述结构件的相对位置。根据第三章对三种通道方案的分析，本文对三种方案进行打分以评价在设计难易程度，如表l所示。

根据表1所示，对三个方案进行评述：

通道方案1：总分最高，没有1分项，说明该通道的设计对各个方面的影响不大，比较平均，所以设计难度相对较低，有利于各个专业之间的协调。

通道方案2：总分最低，且有三个1分，说明该通道设计难点多、难度大，一般不建议采用通道2方案。

通道方案3：总分略低于方案1，但有两个1分，说明该方案在满足了系统布置和较好的气动性能的同时，牺牲了结构重量和维修性，这就需要设计人员充分评估全机性能来最终确定是否使用该方案，

为了能够更好的设计吊挂一机翼后缘系统布置通道。本文给出以下建议：在总体设计初步阶段就对可能出现的系统布置通道方案进行评估，确定方案之后，应该评估确定三种通道形式与气动设计、结构布置的关系，以免后续更改代价过大：第二步是在确定了通道方案之后，系统布置工作过程通过迭代的方式中保证系统布置通道的安全性和较好的维修性。

[责任编辑：杨玉洁]