民用大型客机超临界机翼系统布置设计的初步分析研究

陈丽华　赵海涛　陈裕

【摘 要】民用大型客机的后继发展方向是以更加安全、更加经济、更加环保和更加舒适为基本特征的。超临界机翼是能更好的追求这些特征的一项重大的先进技术。但是，运用超临界机翼这项新技术的同时提高了机翼系统布置的难度。本文提炼了机翼协调区的布置设计流程，说明了在布置的过程中需权衡和考虑的因素，为大型客机机翼系统布置提供设计思路。

【关键词】大型客机；超临界机翼；机翼系统布置

【Abstract】The development direction of civil aircraft is the basic characteristics of more safety， more economy， more environmental and more comfort. For the purpose of better characteristics， supercritical Wing is one of the most significant advanced techniques. However， this will bring more difficulties to the systems layout of wing. This article abstracts the design procedure of wing and illustrates all kinds of factors that should been considered in the arrangement design. Some design considerations for the systems layout of wing will be introduced in this article.

【Key words】Civil Aircraft； Supercritical Wing； Systems layout

0 引言

起飞总重超过100吨的运输类飞机一般称为大飞机。国内通常将150座以上的民用运输机称之为大型客机，但是由于各国的航空工业技术的不同发展水平，国际航运体系通常将300座以上的民用运输机称为大型客机[1]。机翼是连接到机身两边的翅膀，也是支持飞机飞行的主要升力表面。为了满足更好的安全性、经济性、环保性和舒适性，选用一副性能优越的机翼非常重要。大型客机制造商通常采用以下先进技术来设计飞机：超临界机翼、机载设备模块化设计、吊挂短舱一体化设计、系统冗余设计。运用这些新技术的同时也增加了机翼系统布置的难度。

1 机翼的布置设计依据

1.1 机翼的通用设计要求

根据机翼在飞机上的用途和使用要求，设计机翼时，一般有如下要求：

1）保证机翼外形满足气动设计要求，曲面光顺尽量无凹凸；

2）尽量保证机翼左右两侧对称布置；

3）由于机翼中安装很多系统设备和管线路，在满足机翼自身结构强度外，还需满足各系统的安装以及安全性、维修性等要求。

1.2 机翼内部系统管线路布置与走向遵循原则

根据不同形式管线路，原则上应先布置拉杆、然后布置钢索最后再布置管路与电气线束；根据管线路尺寸，应遵循先粗后细，先硬后软的原则；根据承载介质不同，原则上应当遵循，从上到下依次为：气体、水/废水、易燃及腐蚀性液体。电缆线束应布置在液体管路上方，避免液体泄漏到电缆上造成污染，如无法满足，则必须采取措施避免电缆线束被泄漏液体腐蚀，保证安全性。

1.3 间隙要求

静止件与静止件间隙至少要保证为0.25英寸，静止件与运动件间隙至少保证为0.5英寸，运动件与运动件间隙至少保证为1英寸，若系统有特定的间隙要求，则以特定间隙要求为准。

1.4 总体布置设计要求

民用大型客机机翼系统布置需要满足适航的要求，机翼一般都用作燃油箱，需考虑燃油箱防爆适航条款CCAR25.981（a）、鸟撞、发动机转子爆破（翼吊飞机）、飞机轮胎爆破和摆杆影响等[2]。

2 机翼协调区布置流程介绍

根据结构设计方案及相关设计要求规范进行结构布置和系统布置的细化设计，机翼的布置流程如图1所示。

机翼布置是一个反复与迭代的过程，要充分考虑系统的安装维护和间隙要求，还要考虑不同系统之间、系统与结构之间，以及系统或结构的更改对其他系统的影响等。本文主要分析大型客机的机翼系统布置，一般有下述几个特点：

1）大型客机适航审定基础一般是CCAR25部，满足适航要求是机翼系统布置的首要考虑因素；

2）超临界机翼一般内部布置空间比较狭小，需要满足机翼的气动外形、运动机构和复合材料的使用要求，同时满足各系统之间的间隙要求和相对位置的要求；

3）超临界机翼在飞行过程中一般会发生弹性变形，必须结合不同的飞行工况，细化分析不同的运动极限状态下机翼结构和系统、系统和系统之间的间隙要求；

4）需要考虑翼吊形式发动机短舱对机翼内部系统布置和安全性的影响。

图1 机翼布置流程图

3 机翼结构和机翼系统介绍

3.1 机翼结构介绍

民用大型客机出于安全性考虑，通常将燃油存储在机翼当中，所以机翼多采用双梁多肋式结构，贯穿整个机身。这样的结构布局既可以满足燃油存储的要求，也可以为其他系统留出布置空间[3]。双梁多肋式结构通常将飞机分为机翼前后缘、盒段和中央翼。盒段在机翼根肋处（机身侧壁处）与中央翼对接，在翼尖端肋处与翼稍小翼对接。机翼前后缘包括固定前、后缘，前缘缝翼、后缘襟翼、副翼、扰流板。如图2所示。

3.2 机翼内部系统介绍及布置考虑

机翼内部通常包括以下系统：飞控系统、燃油/惰化系统、气源系统、防冰系统、液压系统和电气线路互联系统（EWIS）等。机翼前梁之前的固定前缘和前缘缝翼，主要布置飞控系统、气源系统、燃油系统和防冰系统；机翼后梁之后耳朵后缘舱、后缘襟翼和三角区等，主要布置飞控系统和液压系统；前后梁之间盒段，主要布置燃油/惰化系统和液压系统。

图2 机翼结构示意图

3.2.1 飞控系统

飞控系统一般有电传和机械两种形式。电传操纵系统是将飞行员的操纵信号，经过变换器变成电信号，通过电缆直接传输到自主式舵机的一种系统，可实现复杂的操作，但也有占有空间大，重量重的缺点。机械操纵是驾驶杆通过钢索、摇臂、扇形盘等连接到作动筒上，作动筒推动缝翼和襟翼实现运动，无法实现复杂的操作，但所需布置空间小，相对重量轻。从机翼系统布置空间分析的角度上，机械传动形式要好于电传形式，但在电传操纵的可靠性大大提高、并采用了余度技术后，电传操纵的可靠性接近、甚至超过了机械操纵系统的可靠性，于是一些最新的飞机比如A320、A330、A340、B777等，都采用了全电传操纵系统[3]。

飞控系统一般分为高升力系统和主飞控系统。机翼高升力系统由襟翼系统和缝翼系统组成。布置在机翼后缘的襟翼系统一般包括襟翼位置传感器、襟翼倾斜传感器、翼尖刹车组件、扭力管、角齿轮箱、扭力管支架、旋转作动器。布置在机翼前缘的缝翼系统一般包括缝翼位置传感器、缝翼倾斜传感器、翼尖刹车组件、扭力管、角齿轮箱、扭力管支架、旋转作动器。机翼主飞控系统包括地面扰流板作动器，多功能扰流板作动器和副翼作动器。可选用的作动器按其与结构连接方式可以分为法兰盘式作动器、点对点式作动器和分体式作动器。

图3 法兰盘式作动器

法兰盘式作动器的特点为：（1）重量较大；（2）作动器刚度低；（3）抑制舵面颤振能力相对较弱；（4）使用连杆对活塞杆有径向力作用，对作动器密封件不利，导致作动器外泄漏量略大；（5）液压和电器接口固定，不随作动器一起运动，连接方便；（6）占用空间小，适合于薄机翼后缘舵面驱动使用。图3所示。

图4 点对点式作动器

点对点式作动器特点为：（1）重量相对较小；（2）作动器刚度大；（3）抑制舵面颤振能力强于法兰盘式作动器；（4）外泄漏量相对较小；（5）点对点作动器两端的关节轴承能吸收制造安装造成不对准偏差；（6）作动器反作用力垂直于后梁腹平面，对后梁结构受力相对不利；（7）液压端口和电器端口随作动器一起偏转，需要使用旋转接头或软管、螺线管等；（8）需要后梁空间足够大，以满足作动器偏摆的空间要求。图4所示。

图5 分体式作动器（REU远程控制电子）

分体式作动器在CRJ145和B747（方向舵作动器）等飞机上已经使用过，主要是用在安装空间十分狭小，无法布置作动器壳体的部位。该种作动器的潜在优势为可以设计研发通用液压壳体，供各舵面作动器使用。但由于壳体与活塞缸分离，增加了油路长度，导致作动器刚度下降约10%。因此仅在安装空间不允许使用壳体与活塞缸集成一体的作动器时才予以考虑使用，图5所示。

采用超临界机翼设计时，后缘空间相对紧张，应优先考虑选用点对点作动器；在空间位置有限的位置（如机翼外段副翼舱）布置作动器时可适当考虑选用成熟的法兰盘式作动器；在上述两种形式的作动器均无法安装时再考虑选用分体式作动器。

3.2.2 燃油/惰化系统

为解决空间和油量之间的矛盾，目前大型客机多采用结构油箱，将中央翼和外翼内部进行防腐和密封处理，用作装载燃油。比如B737飞机采用三油箱布局，分为1号主油箱、2号主油箱和中央油箱。在主油箱外侧，一般布置通气防溢油箱。在油箱内布置增压泵，采用交输供油系统，可实现任何油箱都能向任何发动机供油。油泵采用快卸结构，不放油即可拆卸油泵。在油箱内采用引射泵，借助增压泵的动力流，可将死区（一般位于油箱较低处）的油液引射到增压泵的进口，保证不可用燃油量最小。

现代民用大型飞机必须加装惰化系统，主要是为了满足CAAC、FAA和EASE的最新条例及其修正案提出的对燃油箱可燃性暴露的新要求。在机翼油箱中加入惰化气体，使油箱液面上方的氧气浓度满足适航条例规定的安全值，以防止油箱发生爆炸。惰化系统的管路基本位于油箱内，主要考虑与油箱内其他管线路的间隙要求。

对翼吊发动机布局的机翼而言，发动机发生转子非包容性爆破极有可能会击穿油箱，对飞机的安全性造成很大的危害，所以通过在机翼上设置干舱，可以有效的阻止危害飞机安全的事故发生。干舱就是油箱中的一块隔舱，与周围完全隔离，里面没有燃油，可以保证油箱的完整性。干舱可以防止碎片击穿油箱后，燃油滴落到发动机火区之上造成火灾。干舱的划分与动力系统的构造、机翼外形、机翼结构、机翼油箱划分、短舱的安装位置、安装姿态和动力系统本体相对于短舱的位置、以及转子站位等有关，同时其体积的大小还对全机油箱的容积有一定的影响，故干舱体积不能太大，否则会影响到全机的油量。

3.2.3 气源系统

气源系统的高压导管穿过机翼协调区，是连接气源和下游用气用户的桥梁和纽带。高压导管中流动的是高温高压空气，导管的泄漏或损坏不仅影响气源系统功能的实现，而且会给飞机结构和其他系统带来安全隐患，因此需在高压导管表面包覆隔热层，同时沿高压导管走向上需安装引气泄漏过热探测系统，故管路直径比较大。布置时，主要考虑高温高压气体对周围设备和结构的影响。高压导管在热应力、机械应力、飞机加速度、机体振动和变形等多种复杂载荷作用下，会产生较大结构变形和位移，布置时要考虑和周围设备结构的间隙要求。

3.2.4 防冰系统

现役民用大型飞机防冰系统普遍使用的是热气对左右机翼的前缘缝翼进行防冰。防冰系统在机翼主要布置伸缩管、笛形管、温度传感器、防冰引气管和防冰活门。从发动机引出的气经过防冰引气高压导管和可伸缩管段输送到机翼前缘“D”形腔内的笛形管，通过笛形管上分布的小孔将热气喷到整个前缘加热蒙皮表面进行防冰。类似气源系统的高压导管，布置时也要考虑对周围设备和结构的热影响和间隙要求。

3.2.5 液压系统

现代民用大型飞机液压系统的常规系统构架一般由三套相互独立的子系统组成，为飞机上的液压用户提供压力和流量。机翼上的液压用户主要包括扰流板作动器、副翼作动器等（大型飞机通常还包括襟翼、缝翼）如图6所示[4]。

将所有的液压管路均沿机翼后缘布置是传统方式的布置，但对超薄型机翼而言，由于机翼后缘空间非常狭小。以某型民用飞机为例，其超薄翼型的后梁与后缘之间距离仅为104mm，与同类机种相同位置200～300mm的距离相比非常狭小，无法提供足够的空间以满足3套系统导管集中敷设的传统方式的要求。2套液压系统进入机翼燃油箱内部的方案，其中一套液压系统沿机翼后缘敷设。液压系统布置在机翼油箱内可借助机翼结构达到保护机翼内部液压系统的功能，既解决了布置空间狭小的问题，还具有系统隔离、提高系统可靠性的优势。

图6 某型飞机机翼区液压用户配置

3.2.6 电气线路互联系统（EWIS）

电气线路互联系统（EWIS）是指安装在飞机任何区域的各种电线、布线器件、或它们的组合，包含端接器件在内，用来在两个或多个预制端接点之间传输电能。类似于液压系统的功能，主要为飞机上的用电设备提供能源。一般在机翼前缘和后缘，沿结构减轻孔，设置左右对称的线束主通道，见图7。

图7 机翼线束主通道设置示意图

对于翼吊形式的短舱，还需要考虑馈电线（1G、2G）和发动机信号线的布置，一般通过发电机向上进入吊挂，沿吊挂敷设至机翼后缘，再穿过机身隔框进入机身的主配电设备。布置的时候，还需要考虑馈电线对信号线的电磁干扰和周围发热的引气管路对电缆的影响，如图8。

图8 机翼和吊挂区域线束主通道设置

对于机翼油箱内部的用电设备，比如，燃油量指示系统（FQIS）的燃油远程数据集中器（FRDC），一般布置左右对称的燃油测量线束组件通道，如图9所示。

图9 燃油测量线束组件的通道设置

4 机翼系统布置举例

本节主要对某大型客机机翼后缘系统布置进行举例，机翼后缘主要包括机翼后梁之后的所有机翼结构部分和空间（不包括主起落架舱的部分），主要包括襟翼舱、襟翼、襟翼滑轨、主起落架三角区、扰流板、副翼舱、副翼和翼稍小翼后缘。机翼后缘协调区主要涉及飞控系统、液压系统和EWIS系统等。如图10所示。

图10 机翼后缘系统布置总览

飞控系统采用电传形式，由于后缘襟翼作动系统有多个作动器和若干根扭力管，贯穿整个机翼后缘，襟翼作动器固定在襟翼滑轨机构上，作动器之间通过扭力管相连，扭力管不能弯曲，相邻两根扭力管之间有夹角限制，所以应首先确定飞控系统的位置。

将襟翼作动器固定在襟翼滑轨机构上，将连接作动器的扭力管靠近机翼后梁和下蒙皮布置，将扰流板作动器布置于扭力管上方，满足襟翼运动的实现，避免与襟翼翼面、扭力管和周围液压、电缆的干涉，同时也为其他设备让出布置空间和运动空间。在外侧襟翼布置空间狭小的地方，为满足布置间隙要求，一般采用小直径的钢制扭力管。

液压系统是为机翼前后缘用户提供液压能源的，和飞控作动器相连，液压系统管路贯穿整个机翼后缘，由液压附件舱进入机翼，主起三角区的液压管路靠近机翼后梁和辅助梁布置，离开主起三角区后沿机翼中段后梁一直到副翼舱的机翼外段后梁，液压管路布置在襟翼扭力管之上，在扰流板作动器安装的地方，液压管绕到扰流板作动器的后面通过。

类似于液压系统，EWIS系统是为机翼前后缘用户提供电能源的，主要为扰流板作动器、副翼作动器、襟翼翼尖刹车等部件提供电信号，EWIS线束通道贯穿整个机翼后缘，布置时需要考虑将电缆布置在液压管路的上方，在与具有运动功能的作动器连接时，严格控制电缆的伸缩量，由于电缆是软体，布置时主要穿插在设备和硬管周围空余的地方，尽量和周围结构、设备和管路保持足够的间隙。

5 总结

在布置过程中做到以适航要求为设计基础，充分考虑了从布置上减重减阻，从布置上实现飞机性能的最优，同时做好空间的合理需求与合理分配，以满足飞机的总体要求。机翼布置设计是一个综合协调、优化迭代的过程，需要多专业的协同设计，只有实现结构、系统的布置和气动参数优化迭代才能完成最优意义上的机翼布置。同时在系统设备的布置时需仔细研究相关适航条款，以确保飞机的设计能够顺利取证并投入运营。

【参考文献】

[1]李为吉，主编.现代飞机总体综合设计[M].西北工业大学出版社.

[2]运输类飞机适航标准.中国民用航空规章第25部CCAR-25-R3[S].中国民航总局，2001.5.

[3]陈闵叶，么娆，编.飞机系统[M].国防工业出版社.

[4]肖翔，夏语冰，姜逸民，郑占君，戴攀.超薄翼型上液压系统布置的设计分析[J].民用飞机设计与研究，2010：No.4.

[责任编辑：王楠]