民用飞机复合材料机翼检修口盖设计

魏士礼

摘 要：民用飞机复合材料机翼主盒段结构内部空间作为整体油箱，下壁板通常开设若干口盖。机翼上的口盖除保证维修检查时具有可达性外，还需要满足刚度、油箱密封、防火、防冲击损伤、闪电防护等要求。同时，检修口盖在飞机的整个生命周期内需重复拆装，因此确保检修口盖的紧固件允许重复拆装且口盖本身具有防错设计。该文从设计原则、结构构型、材料选择、密封等方面介绍复合材料机翼口盖的设计。

关键词：复合材料 机翼整体油箱 检修口盖 结构设计 闪电防护

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0010-05

Abstract：The interior space of main structure of commercial aircraft composite wing is often used as the integral fuel tank， access covers are designed on the lower composite panel. The access door on wings have to be ensured the accessibility of maintenance inspection， and moreover， need to meet the requirements of stiffness， fuel tank seal， fire prevention， impact damage and lightning protection. Meanwhile， the access doors need to be removed and reinstalled repeatedly throughout the aircrafts life， it is therefore recommended to ensure that fasteners used for the access doors allow for repeated removal and installation， and the access doors need error proofing design. This paper introduces the design of access door in terms of design principle， structural configuration， material selection， sealing and lightning protection.

Key Words：Composite； Wing Integral fuel tank； Access door； Structure design； Lightning protection

隨着复合材料在民用飞机主结构中的应用，波音787和空客A350XWB机翼都采用复合材料整体壁板结构[1]。民用飞机普遍利用机翼主盒段内部空间作为整体油箱，可增大飞机燃油贮量、增加续航时间、改善飞行性能。这是提高飞机结构效率、改善气动弹性、飞行品质、控制特性的重要技术途径之一[2]。

检修口为翼盒内部维护和装配提供通道，可拆卸的检修口盖用于封闭检修口并密封整体油箱，构成机翼壁板气动外形的一部分。机翼检修口盖在设计时应满足防冲击损伤、防雷击、防火等要求，以避免因口盖失效导致的机翼整体油箱泄漏[3]。由于复材零件的加工特性，机翼复材壁板检修口盖的设计也与传统金属机翼有所不同。该文通过设计原则、结构构型、材料选择、密封、闪电防护等方面介绍复合材料机翼口盖的设计。

1 机翼检修口布局

1.1 检修口位置及布局

对国外采用复合材料机翼的客机波音B787[4-6]和空客A350XWB[7]，以及军用运输机A400M[8]复合材料机翼进行研究分析，通常在机翼下壁板开设检修口盖。检修口应布置在对强度影响较小的部位，尽量不破坏主承力结构，保持总体受力系统的完整性[9]。将检修口位置布置在下壁板沿一条长桁轴线可以最少切断长桁，降低对下壁板受力影响。

为满足翼盒内部可达性要求，检修口中心线应尽量靠近机翼弦向中间位置。沿机翼展向，除结构限制无法布置检修口之外两肋间都应布置一个检修口[9]。图1为典型机翼下壁板检修口布置图。

图1中的检修口采用椭圆形，检修口长轴位于中心长桁的轴线上，距离前后梁距离基本相等。机翼高度沿翼展逐步缩小，可达性要求逐步变化，检修口从机翼根部到梢部也逐渐减小。

1.2 检修口形状尺寸

检修口形状应尽量减小应力集中，常用的检修口形状包括椭圆形、圆角矩形和圆形[9]。为了满足维护和装配可达性要求，需人员进入翼盒内部的区域，应采用全尺寸开口。只需要部分人体进入的结构可采用更小的检修口。但条件允许时应尽量选择大的开口尺寸以获得更好的通过性。机翼下壁板常用检修口尺寸如表1[10]。

2 检修口盖设计

2.1 口盖设计原则

检修口盖是整体油箱密封、装配和维修的通道，也是机翼整体结构的一部分。为符合适航要求和功能要求，检修口盖应满足以下技术要求[11]。

（1）可拆卸，满足装配和维修要求。

（2）满足油箱密封要求。

（3）下壁板气动外形光顺要求。

（4）离散源冲击损伤防护要求。

（5）闪电防护要求。

（6）防火要求等。

2.2 检修口盖类型

常用的机翼检修口盖有两种构型，螺接口盖和夹持口盖，如图2所示[12]。

螺接口盖为承力型口盖。螺钉从外侧穿过口盖，连接到固定在蒙皮上的螺母。螺接口盖与机翼蒙皮的电搭接充分，可降低油箱内产生电弧或电火花的风险，且其参与受力可降低结构重量。螺接口盖拆卸困难，蒙皮上的螺钉孔易产生裂纹，影响蒙皮疲劳寿命。螺接口盖适用于蒙皮厚度较薄无法采用夹持型口盖的区域。

夹持口盖为非承载口盖，由内、外口盖组成，通过螺栓将内、外口盖夹持在蒙皮上。夹持口盖需考虑与蒙皮之间的闪电防护问题。夹持口盖便于拆卸，有利于提高飞机的维修性能和油箱的密封性。当外翼弯曲变形时，夹持口盖不参与外翼的总体载荷传递，适用于疲劳敏感区域，但口盖本身承受油压载荷。机翼油箱口盖应尽量采用夹持型口盖。

2.3 检修口盖密封设计

检修口盖是可拆卸的组合件，其密封不同于固定结构的密封。口盖密封不是靠密封剂和结构的粘合，而是靠密封材料的弹性压缩。口盖的密封形式一般有两种，沟槽密封和胶垫密封[9]。

沟槽密封是在口盖或蒙皮上机加出沟槽，沟槽内安装密封件。胶垫密封是在口盖和蒙皮夹弹性密封胶垫。表2为沟槽密封和胶垫密封对比。

复材翼盒夹持口盖一般采用沟槽密封。沟槽布置在口盖上，避免在蒙皮上加工沟槽，降低复材蒙皮损伤可能性。

2.4 夹持型口盖材料选择

随着复合材料在飞机结构上的应用，复合材料也常被用于制造检修口盖[13]。口盖按材料分为金属口盖和复合材料口盖。表3为口盖常用材料。

铝合金口盖接触复材蒙皮的电化腐蚀问题严重，对铝合金口盖的防电化腐蚀处理与闪电防护要求相违背。因此，复合材料机翼的口盖优先选择复合材料和钛合金。

2.5 夹持型口盖构型设计

夹持型口蓋分为压盖式和压环式。图3为压盖式和压环式口盖图。

压盖式口盖由内、外口盖组成。内口盖在翼盒内部，承受油压载荷。可采用加筋层压板、蜂窝/泡沫夹层、短切纤维热塑等构型。外口盖在翼盒外侧，通过螺栓与内口盖形成夹持，主要承受气动载荷。离散源损伤影响区域的外口盖可以使用金属材料，防止冲击损坏口盖结构。其他区域的外口盖可考虑复合材料层压板构型。

压环式口盖由口盖和压环组成，可以有效降低口盖结构重量。口盖与压盖式内口盖构型相同，压环与口盖通过螺栓夹持。压环一般采用铝合金或钛合金。压环式口盖的抗冲击性能限制，可布置在非离散源损伤影响区域，以降低口盖重量。

2.6 口盖与壁板界面设计

检修口盖与机翼下壁板相互连接，壁板厚度和检修口开口形式影响检修口盖的设计。表4为常用复材壁板与口盖的界面设计。

三种壁板开口形式应综合考虑制造难度、成本、纤维分层，结构重量，采用试验验证的方法进行选择。

2.7 夹持型口盖闪电防护设计

碳纤维复合材料的导电性远低于铝合金，雷击可能会损伤碳纤维复合材料壁板。因此，必须采取有效的防护措施并提供导电通路，以保证飞机的飞行安全[14]。

检修口盖设计应考虑与壁板的闪电防护要求。螺接口盖可通过螺栓实现与壁板的电通路[15]。夹持口盖无螺栓通过壁板，口盖与壁板间的闪电防护需重新设计。如图4是一种夹持口盖的闪电防护设计。使用金属外口盖，与蒙皮贴合面需设计铜网且延伸一定距离，保证外口盖与蒙皮之间的电通路。如采用复合材料外口盖设计，可在外口盖的外侧增加金属网，使其与壁板之间形成有效的电通路。

2.8 口盖防火设计

根据FAA复合材料机翼防火要求：必须证明机翼和油箱设计能够耐受外部燃油聚集性燃烧至少5 min[16]。为满足此要求，外口盖可采用钛合金，内口盖可采用耐高温复合材料口盖的构型。结构符合性需通过部件级试验加以验证其防火性。

3 结语

随着材料技术的发展，复合材料大范围应用于飞机主结构中。由此带来的检修口盖材料也由传统的铝合金结构转变为复合材料结构。该文通过研究国外现役机型，介绍复合材料机翼检修口盖设计。检修口盖设计应综合考虑机翼复合材料壁板检修口的制造性和开口补强方案；同时，检修口盖在飞机的整个生命周期内需重复拆装，因此，确保检修口盖的紧固件允许重复拆装且口盖本身具有防错设计。为了保证检修口盖的设计满足结构和功能要求以及符合适航要求，需通过试验验证口盖的密封性，防火性，闪电防护性能等。

参考文献

[1] 王德堂，冯军.大型飞机复合材料主结构的设计与发展[J].航空制造技术，2011（13）：58-60.

[2] 张明星.经典机型的机翼整体油箱布置分析[J].民用飞机设计与研究，2011（3）：39-44.

[3] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册（第5册），民用飞机总体设计[M].北京：航空工业出版社，2005.

[4] Turner E. The Birth of the 787 Dreamliner[J]. 2010.

[5] WG Roeseler，B Sarh，MU Kismarton. Composite Structures：The First 100 Years， 2007.

[6] 汪萍.民用飞机设计参考机种之一波音787-8双发宽体中远程客机[J].民用飞机设计与研究，2010（2）：37.

[7] 汪萍.民用飞机设计参考机种之一空客A350—900双发宽体客机[J].民用飞机设计与研究，2009（4）：23-26.

[8] 陈亚莉.复合材料成型工艺在A400M军用运输机上的应用[J].航空制造技术，2008（10）：32-35.

[9] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册（第10册），结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000.

[10] 陈文俊，赵鲁春，李军.某型民机复合材料机翼下壁板开口补强及优化研究[J].机械研究与应用，2015（4）：64-66.

[11] Delgado Jare?o J L，Outon Hernández I. Manhole assembly in the lower skin of an aircraft wing made of a composite material： US， US8662451[Z].2014.

[12] 马文博.某型号飞机口盖设计研究[J].装备制造技术，2015（8）：194-195.

[13] 杨文，高彬，刘晓明.发动机舱大开口口盖的结构设计和计算分析[J].应用数学和力学，2014（S1）：103-107.

[14] 赵毅.飞机复合材料蒙皮结构闪电直接防护分析[J].科技信息，2013（17）：62-63.

[15] Hunt J.Lightning protection fastener：US，US 4630168 A[Z].1986.

[16] 崔素春.复合材料整体油箱抗外部火灾的适航验证思路[J].江苏科技信息，2016（2）：42-43.