民用飞机机载设备载荷环境

【摘 要】机载设备除了按照特定功能需求设计之外，其设备结构（包括电子元件）还需满足强度要求，而强度的输入之一就是飞机的载荷环境。本文全面完整地分析了民用飞机机载设备载荷环境。

【关键词】机载设备;载荷环境

中图分类号： V241.02文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）19-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.045

1 载荷环境简介

本文所说的结构不仅包括设备的主体结构，还包括电子元件在内的微观结构。结构和功能是所有机载设备研制的两个重要维度，结构是功能的基础，保证结构的完整性才能保证功能的可靠性，这就需要设备结构满足飞机全部的载荷环境。载荷环境就是飞机加速度、变形、振动、冲击等机械环境。

2 机载设备载荷分类

机载设备载荷环境按照载荷类别分类，包括飞机加速度载荷、压力载荷、机体变形载荷（强迫位移载荷）、热载荷、气动载荷、振动载荷、冲击载荷。

2.1 飞机加速度载荷

飞机加速、刹车、偏航、俯仰、滚转、着陆或遭遇突风等情况会产生加速度，一般离飞机重心越远，加速度越大。飞机加速度值受飞机重量分布、刚度分布和使用条件定义等因素影响。在加速度载荷中有一种特殊的载荷工况是应急着陆载荷，即起落架不能正常放下的故障工况，此时飞机可能有所损坏，但与乘员安全有关的设备必须满足CCAR25.561条款的要求，为乘员提供安全保护，避免乘员在轻度撞损应急着陆过程中受到严重伤害。应急着陆的载荷为：向上3.0g，向下6.0g，侧向3.0g（座椅及其连接件4g），向前9.0g，向后1.5g。

2.2 压力载荷

飞机增压系统元件必须进行最大正常工作压力2倍的破坏压力试验和1.5倍的验证压力试验。气动系统元件必须分别进行最大正常工作压力3倍的破坏压力试验和1.5倍的验证压力试验。保载时间和试验判据见表1。

2.3 气动载荷

在高速流场中的机载设备，在计算载荷时，气动载荷往往是最严酷的载荷之一，例如冲压空气风门、天线等。设备的气动载荷可运用CFD（计算流体动力学）方法，根据设备几何特征和所在位置流场的速度、密度等来计算。

2.4 热载荷

在系统设计中需考虑内外热载荷的影响，热载荷的具体影响表现为：

a）温度影响材料抗拉强度、屈服强度，影响强度安全裕度。

b）温度影响材料弹性模量，影响振动响应。

c）温度产生热胀冷缩，导致设备或管路变形，影响内应力和对外界面载荷。

d）温度梯度产生应力。

e）温度变化产生疲劳载荷。

飞机热载荷来源于太阳辐射、发动机、APU（辅助动力装置）、防冰管路、液压电动泵、空气管理系统高温管路、油滤等。

2.5 机体变形载荷（强迫位移载荷）

飞机机身、机翼在惯性力、气动力等作用下发生变形，对管路产生强迫位移，该强迫位移会使管路发生大变形，这是管路在强度设计中最严酷的工况之一。民用飞机的燃油、液压、气源等管路系统在全机的布置范围广、跨度大，飞机的机身、机翼等主结构发生变形会对管路产生显著的强迫位移，对管路产生较大的应力应变。对于刚度较大的硬管，机体变形载荷往往是最严酷的。

2.6 振动载荷

振动载荷包括功能振动、耐久振动、高量值短时振动和风车振动载荷，前三者见RTCA/DO-160G《机载设备环境条件和试验大纲》。风车振动载荷针对持续发动机不平衡这一特定风险，发动机叶片断离之后，叶片在风力作用下持续转动，因重量分布不平衡而产生较长时间低频振动。风车振动载荷适用于如果功能丧失会影响飞机返场的关键系统设备。风车载荷量值由发动机不平衡状态下的振动谱得到。

2.7 冲击载荷

冲击载荷包括功能冲击载荷、安全坠撞冲击载荷、鸟撞冲击载荷。对于一些在应急着陆情况下，设备的破损和脱落可能会对人员构成危险，或对应急撤离设施造成破坏的设备，除进行功能冲击试验外，还应进行坠撞安全试验。鸟撞冲击载荷适用于鳥撞影响区域且如果功能丧失会影响飞机返场的关键系统设备。

2.8 FBO（Fan Blade Out发动机叶片飞出）载荷

FBO载荷是指发动机风扇叶片因鸟撞、冰雹或者是疲劳等原因发生断裂而脱落所引起的瞬态冲击载荷。该载荷通过动响应分析得到。在FBO故障状态下，影响飞机返场的关键系统设备需能承受传递至其安装位置处的FBO载荷，不发生破坏。

2.9 其他载荷

对于每个系统设备，还有各自特有的载荷，包括人员操作载荷、操纵系统作动器载荷、滥用载荷、设备之间固定连接的界面载荷、部件间的摩擦载荷、故障状态产生的卡阻载荷等。

3 强度判据

3.1 静强度分析判据

在限制载荷下无有害永久变形，即在限制载荷情况下，结构分析部位屈服强度安全裕度大于0。在极限载荷下无破坏，即在极限载荷情况，结构分析部位的极限强度安全裕度大于0。

3.2 振动冲击试验判据

对于需要考虑振动、冲击（除坠撞冲击之外）载荷的设备，要求设备在振动、冲击载荷环境下功能正常，连接件不松脱，连接面不破坏。

3.3 应急着陆载荷试验的判据

对于需符合CCAR25.561条款的设备，在应急着陆载荷下（包括坠撞持续载荷和坠撞冲击载荷），连接件不松脱，连接面不破坏。对于应急着陆撤离设施（例如客舱应急着陆照明灯），在应急着陆载荷下须功能正常。

4 安全系数

当以限制载荷作为结构的外载荷时，必须采用安全系数l.5;当用极限载荷来规定受载情况时，不必采用安全系数。另外，在设备的结构强度设计中还需考虑接头系数、铸件系数等特殊系数。

5 结语

机载设备验证某一项载荷要求的符合性较容易，而确保完整性较难。本文完整地归纳了民用飞机机载设备所有的载荷环境。在机载设备的设计研发中，应根据具体设备的重要等级分别选择合适的符合性验证方法。

【参考文献】

[1]CCAR-25-R4，中国民用航空规章-运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局，2011.

[2]DO-160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].RTCA，2010.

[3]樊文博.飞机机载设备振动试验基本程序[J].科技视界， 2015.26.07.