基于多案例分析的飞机结构密封设计研究

孙 敏，何 飞，丁才华，李韶晶

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

密封技术是飞机制造过程中广泛采用的一项技术，许多结构和零部件都涉及密封的问题。飞机是一个由数以万计的零部件组成的复杂系统，各零部件连接界面不可避免地会存在缝隙。另外，为了安装和维修各种机载设备，飞机机体上开设了许多大小不等、形状各异的窗口或口盖。如果这些缝隙、窗口或口盖没有良好的密封，就会成为进水的重要通道。

飞机密封是飞机腐蚀防护与控制的一个及其重要的组成部分，是影响疲劳寿命、经济修理和安全性的一个关键因素。飞机密封技术不当或密封失效后会导致服役环境中含有腐蚀性介质的潮湿空气或雨水渗入飞机内部，这些腐蚀介质长期积聚在飞机内部，危害极大。由此可见，开展飞机密封技术研究，采取有效措施防止或显著地减少侵蚀性，对于降低机载设备故障发生率，减轻飞机结构腐蚀，提高飞机使用安全性和寿命具有重要意义。

本文从飞机密封的原则和功能、典型密封形式及其密封工艺、多案例分析及结构密封设计要点等三个方面展开论述。

1 密封的原则和功能

密封的原则：严格密封，使内部可能存在的水和其他介质均拥有自己的通道，防止它们到处流淌从而腐蚀内部结构。

密封的功能主要有三个：一是密封功能（气、油、水），通过座舱压力密封、油箱密封、防止冷凝水或其它液体渗透（结合面或缝隙）实现密封；二是防腐蚀功能，防止易受疲劳件和振动组件中的摩擦腐蚀，防止电化学腐蚀，防止紧固件埋头窝腐蚀，防止金属间连接腐蚀；三是胶接装配，弹性材料的密封连接，隔离保证等。

2 典型密封形式及其密封工艺

典型密封形式及其密封工艺主要分为飞机结构密封和紧固件密封安装，具体分类见图1。

图1 典型密封形式及其密封工艺

3 多案例分析及结构密封设计要点

通过对多种飞机的案例分析，得出腐蚀防护要求高的飞机长桁与蒙皮之间、剪切角材与蒙皮之间、蒙皮纵向搭接区域、蒙皮对接区域、油箱密封区域、天线安装区域、电搭接结构区域、衬套密封区域等典型结构密封设计要点。

3.1 长桁与蒙皮之间

飞机案例分析：

桁条与蒙皮之间的结合面没有密封，容易滞存水分，导致蒙皮腐蚀。

结构密封设计要点：

长桁与蒙皮之间搭接面密封；长桁排水孔处填角密封应保持排水通道畅通。

长桁与蒙皮密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图2所示。

图2 长桁与蒙皮密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

3.2 剪切角材与蒙皮之间

飞机案例分析：

波音737机身某剪切角片和蒙皮之间仅采用填角密封，接合面没有涂密封剂湿安装密封。填角密封不当以阻止湿气浸入接合面，导致腐蚀。

结构密封设计要点：

剪切角片和蒙皮之间接合面涂密封剂湿安装密封并进行填角密封，连接剪切角片和蒙皮的非铝合金紧固件采用涂密封剂湿安装。

剪切角材与蒙皮密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图3所示。

图3 剪切角材与蒙皮密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

3.3 蒙皮纵向搭接区域

飞机案例分析：

1988年4月28日，美国阿洛哈航空公司的一架波音737-200客机因机身蒙皮搭接区域密封有限，搭接缝处开胶、产生腐蚀和疲劳裂纹，在夏威夷上空机身突然破坏，前舱上部大片结构飞掉。

结构密封设计要点：

蒙皮纵向搭接区域采用密封剂密封处理。

蒙皮纵向搭接区域密封不当引起的后果及改进后示意图如图4所示。

图4 蒙皮纵向搭接区域密封不当引起的后果及改进后示意图

3.4 蒙皮对接区域

飞机案例分析：

波音737飞机无密封或仅填角密封的连接板和搭接带以及货舱底部桁条连接接头，使得潮气浸入对接/搭接区域导致腐蚀；桁条连接接头和蒙皮之间间隙不足，使得污物堵塞排水通道。

结构密封设计要点：

蒙皮对接板与蒙皮接合面之间采用密封剂湿安装密封并进行填角密封；连接蒙皮对接板与蒙皮的非铝合金紧固件采用密封剂湿安装；前后蒙皮之间的对接缝采用密封剂密封。

蒙皮对接区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图5所示。

图5 蒙皮对接区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

3.5 油箱密封区域

飞机案例分析：

某飞机机身整体油箱内未封包的钢制铆钉在油箱水洗后出现不同程度的腐蚀，部分铆钉钉头和墩头出现红色腐蚀产物，部分为白色粉末状产物。

当油箱内钢制铆钉蘸XM-22B胶湿铆接，钉头、墩头采用XM-22B胶封闭，并采用HM501胶防护。水洗后，相同区域的钢制铆钉钉头、钉杆及墩头仍有金属光泽，未发现腐蚀迹象。

结构密封设计要点：

实验报告是检验病理教学效果的重要手段，学生通过书写整理实验报告，有利于对知识点进行归纳总结，强化巩固，也可以把理论和实验进一步联系起来，更好的掌握知识和技能，同时为今后的科学研究和临床应用打下基础；教师通过批改实验报告了解教学效果、发现问题并及时与学生反馈和沟通。

油箱结构的铆钉用密封胶进行湿铆接和钉头、墩头封包处理。

某机身油箱内铆钉密封不当及处理后示意图见图6。

图6 某机身油箱内铆钉密封不当及处理后示意图

3.6 天线安装区域

飞机案例分析：

美国H-60直升机刀型天线与机体连接处为密封防护措施不当，湿气和腐蚀介质进入安装界面，导致机体结构腐蚀严重。

结构密封设计要点：

蒙皮和天线搭接面采用缓蚀剂密封；托板螺帽密封胶湿安装；天线底座周围用密封胶进行填角密封；耐蚀钢天线安装紧固件涂缓蚀剂安装。

天线安装区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图7所示。

图7 天线安装区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

3.7 电搭接结构区域

飞机案例分析：

结构密封设计要点：

搭接及紧固件的材料应与构件材料电相容；搭接位置要便于检修，避免受雨水、盐雾、湿气等浸蚀，且要避免在重要和关键零件及构件高应力区安装搭接。否则，可增设过渡接头或设置腐蚀余量或搭接部位全密封。

电搭接结构区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图8所示。

3.8 衬套密封区域

飞机案例分析：

某飞机衬套安装过程中，没有采用防腐蚀密封胶进行贴合面密封。电解液容易积聚在固定座安装孔内壁与衬套之间贴合面。固定座安装孔内壁与衬套之间贴合面边缘：稳定梁固定座属于高载荷接头，没有采用防腐蚀密封胶对固定座表面与衬套翻边之间贴合面边缘进行填角密封。

图8 天线安装区域密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

结构密封设计要点：

固定座安装空内壁与衬套之间贴合面：贴合面密封；固定座表面与衬套翻边之间贴合面边缘。固定座表面与衬套翻边之间贴合面边缘：填角密封。

衬套密封不当引起的腐蚀及改进后示意图如图9所示。

图9 衬套密封不当引起的腐蚀及改进后示意图

3.9 其他典型结构防腐蚀密封设计

防腐蚀密封设计的典型结构主要分为蒙皮对接/搭接件、可拆卸壁板、油箱口盖、工艺分离面、胶接结构、隔热结构、复合材料连接结构、电搭接结构，如图10所示。除以上案例分析，其他典型结构[1]（可拆卸壁板、工艺分离面、胶接结构、隔热结构、复合材料连接结构）防腐蚀的密封设计要点如图11所示。

图10 防腐蚀密封设计的典型结构

图11 其他典型结构密封设计

4 结论

本文从密封设计角度分析了飞机不同结构部位腐蚀的常见原因，并提出了解决措施：

1）长桁与蒙皮之间搭接、蒙皮纵向搭接、前后蒙皮之间的对接缝采用密封剂密封；角片、对接板和蒙皮之间接合面涂密封剂湿安装密封并进行填角密封；长桁排水孔处填角密封应保持排水通道畅通；非铝合金紧固件采用涂密封剂湿安装。

2）海洋环境下飞机上大量使用的螺栓、高锁螺栓、拖板螺母、螺钉等紧固件装配原则上应采用湿装配，湿装配材料根据具体需要可选用底漆、密封剂、润滑脂或缓蚀剂；不宜湿装配的紧固件可进行必要的端头封包处理；油箱结构需采用耐燃油的密封剂进行可靠密封。

3）蒙皮和天线搭接面采用缓蚀剂密封；托板螺帽密封胶湿安装；天线底座周围用密封胶进行填角密封；耐蚀钢天线安装紧固件涂缓蚀剂安装。

4）搭接及紧固件的材料应与构件材料电相容；搭接位置要便于检修，且要避免在重要和关键零件及构件高应力区安装搭接。

5）固定座安装空内壁与衬套之间贴合面密封；固定座表面与衬套翻边之间贴合面填角密封。

研究结论可为飞机密封设计提供理论参考，其中部分设计方法已在多型飞机腐蚀防护与控制上实施，同时，亦可供相关人员设计新型飞机提供参考。