商用飞机翼吊短舱安装位置对吊挂系统布置空间影响研究

【摘 要】商用飞机翼吊短舱安装位置是飞机总体布局的重要参数之一，会对飞机性能产生重要影响；吊挂是连接短舱/发动机与机翼的结构部件，其内部机载系统的布置需求也会在一定程度上影响飞机性能。本文讨论了控制短舱位置参数的变化对吊挂系统布置空间的影响，并得出相关结论，为短舱位置和吊挂系统布置工作提供支持。

【关键词】商用飞机；翼吊短舱位置；吊挂系统布置空间

【Abstract】The position of wing-mounted nacelle is one of most important parameters for aircrafts designing， which has a great influence on the performance of aircrafts. Engine pylon is a connection structure between nacelle and wing， in which many airborne systems are located， that also effects on the performance of aircrafts. The impact of changing of nacelle position parameters on the pylon systems arrangement space is discussed in the paper and the findings could assist in aircraft designing.

【Key words】Commercial aircraft； Position of wing-mounted nacelle； Pylon system arrangement space

0 引言

目前全球大部分商用干线飞机采用上反、后掠、下单翼的机翼布局和双发翼吊发动机短舱布局，其中，翼吊发动机短舱安装位置是飞机设计最重要的参数之一，因为它会对飞机形成产生很大程度的影响。吊挂作为连接发动机短舱和机翼的结构件，其内部系统的布置方案，也会对飞机性能产生一定影响。

在飞机研制周期中，短舱位置通常在飞机初步设计阶段就已经确定，而吊挂系统布置通常贯穿于初步设计阶段到详细设计阶段，吊挂系统布置工作一旦在飞机设计后期产生严重问题，若通过调整短舱位置解决问题，其代价是非常巨大的，若不改变短舱位置而采用其他方法，也会付出飞机性能的代价。为了提高飞机和发动机的性能，吊挂外形通常会设计得比较紧凑，造成其结构设计和系统布置空间较小，由于吊挂临近发动机，发动机振动、高温和电缆强电磁场会给吊挂造成严酷的内部环境，提高了系统布置要求，因此，确定短舱位置时考虑吊挂系统布置空间的因素，是非常重要的。

1 翼吊发动机短舱位置参数和吊挂系统布置概述

1.1 用于确定短舱位置的参数[1-3]

以下6个参数用于确定短舱位置：前伸量X定义为短舱外涵道出口上缘点Pexit与当地翼型前缘点PLE的水平距离；下沉量Z定义为Pexit与PLE的垂直距离；展向位置Y定义为Pexit与机身对称平面Asym的距离；上仰角α定义为短舱轴线在机身对称平面上的投影线L1与水平面Ahorizontal的夹角；内偏角β定义为短舱轴线在水平面上的投影线L2与Asym的夹角；滚转角γ定义为L3与Asym的夹角，其中，L3为Pexit与其在短舱轴线上Lengine-axis投影点Pexit-project的连线，在同时垂直于Asym和Ahorizontal的平面上的投影线。

1.2 短舱位置参数选取的原则[2，3，6，7]

对于采用常规机翼/短舱/吊挂布局的飞机而言，短舱安装参数的选取主要考虑以下几个方面：最小气动阻力、全机重心影响、单发失效偏航力矩、转子爆破、短舱擦地、起落架设计和发动机维护空间。基于这些设计考虑，前伸量X通常取当地机翼弦长的15%-17%，下沉量Z通常取当地机翼弦长的10%左右。展向位置Y通常为33%-38%的半翼展长处，上仰角α通常取+1°至+3°左右，内偏角β通常取-2°左右，滚转角γ通常取+3°左右，上述6个参数示意图见图1至图3。

1.3 吊挂系统布置空间概述

吊挂通常由三部分构成：上整流罩、发动机外涵道隔离结构（简称Bifi）和后缘，如图4所示。吊挂与发动机的布置通道通常有两个，分别是上整流罩前端/发动机机匣通道和Bifi区域/发动机核心区通道，出于安全考虑，这两个通道有明确的防火分界面，即防火墙，系统管线路在防火墙上通过防火/耐火接头连接。吊挂与机翼之间的布置通道有两个，分别是机翼前缘布置通道和机翼后缘布置通道，机翼前后缘之间通常是机翼油箱，通常不作为系统布置通道。

图1 前伸量X、下沉量Z及上仰角α示意图

图2 展向位置Y及内偏角β示意图

图3 滚转角γ示意图

1.4 翼吊短舱的吊挂系统布置原则

根据吊挂环境和系统自身的特点，翼吊短舱吊挂系统布置原则主要有以下3个方面：

1）系统的布置必须保证能够满足系统功能、安全性和维修性等方面的要求[4]；对于按照CCAR-25-R4[5]取证的飞机而言，电缆的布置应当满足该规章H分部的EWIS隔离要求；

2）软硬线系布置采用先拉杆后钢索再管路的原则；电缆布置采用先粗后细，先硬后软的原则；系统布置从上到下的原则顺序是：一般气体、电缆、水/废水、易燃及腐蚀性液体[4]；

3）在不满足相关要求的情况下，允许采用等效设计手段并能表明能够达到与相关要求一样的安全水平。

2 翼吊发动机安装位置对吊挂系统布置的影响分析和设计考虑

2.1 短舱前伸量X

X越小，吊挂上整流罩和Bifi的布置空间沿短舱轴线方向会减小，发动机外涵道进气口距离机翼前缘变近，这对于系统布置很不利，例如：气源系统的引气管在空间紧张的情况下需要改变截面形状、增加转弯数量等方式来满足布置要求，导致引气性能降低，间接影响飞机性能。

反之，X越大，发动机离机翼越远，会增加上整流罩区域和Bifi区域的布置空间；如图4所示。

2.2 短舱下沉量Z

Z越小，发动机核心区上移，直接导致吊挂Bifi和上整流罩区域的上移，因此会对吊挂布置空间产生以下三方面影响：

1）会使吊挂上整流罩超过机翼前缘水平延伸面，这样会破坏吊挂当地的机翼上表面外形，影响机翼气动性能，例如B737飞机吊挂上整流罩。若限制吊挂上整流罩高度，就必须增加吊挂宽度以满足系统布置需求，这样很可能会与机翼高升力活动面发生干涉，若更改高升力活动面构型避免干涉，则会影响飞机低速性能；

2）吊挂与短舱内侧机翼前缘通道呈锐角，如图2所示，为了满足系统布置的安全性和维修性，系统管线路在此区域转弯较多，接头较多，且高温引气管路、EWIS电缆和可燃液体管路均集中于此，管路彼此之间交汇很多，所以此处的布置空间要求很高，若下沉量减小，会直接减小此处的布置空间，各系统之间的间隙不得不被压缩，带来安全性和维修性问题，解决这些问题往往会导致飞机性能降低；

3）短舱外涵道出口与机翼的间隙变小，气流在此处的流速增加，很可能出现激波，增加气动阻力，这也使得此处的气动外形设计比较敏感，会极大限制吊挂内部布置空间。

反之， Z越大，对吊挂布置空间越有利，如布置空间足够，可是适当减小吊挂的宽度以减小气动阻力。

2.3 短舱展向位置Y

2.3.1 对机翼前缘通道的影响

Y越大，吊挂进机翼前缘过渡区域的翼型厚度会增加，因此过渡区域的布置空间较大，有利于系统布置；Y越小，翼型厚度会变薄，不利于系统布置；但是，对于采用上反角机翼的飞机而言，短舱越靠近机身，短舱离地高度就要减小，此时就要Z减小来满足短舱最小离地要求，对于系统布置而言，需要权衡选取参数Y和Z的收益。

图6 某型飞机吊挂进入机翼后缘系统布置通道

2.3.2 机翼后缘通道的影响

吊挂与机翼后缘的过渡区域比较复杂，因为该区域包含了襟翼、后梁、辅助梁、扰流板等主要结构，以及机翼后缘区域的系统设备和管线路，如图6所示，吊挂进入机翼后缘的通道与机翼后梁与辅助梁连接处以及扰流板和三角区距离很近，其中，扰流板是运动结构，其铰链结构，作动器等需要较大的运动空间，辅助梁和三角区作为主起落架载荷主要的传递结构，与后梁的连接结构会占据较大的空间，三角区的机翼下壁板通常会加厚，口盖设计受极大限制，可达性较差。

2.3.3 吊挂布置空间

Y越小，当地机翼弦长也会变长，吊挂后缘收缩率会比较低，有利于设计吊挂后缘外形，同时也会有利于系统布置；短舱越靠近翼尖，吊挂后缘外形收缩率会比较高，容易产生气流分离，增加气动阻力，这种情况下，如果吊挂后缘外形不满足系统布置空间要求，则增加布置空间很难实现，因为这样会带来更严重的气动问题。

2.4 短舱内偏角β

根据第二章的描述，β通常选取-2°左右（短舱前部向机身方向靠近为正），内偏角β的变化的轴线通常位于发动机外涵道出口上缘，如图6所示，β变化1°会导致吊挂后缘点50mm左右的平移，通常吊挂后缘与机翼后缘并不是固定连接，在飞行过程中两者存在振动相对位移，所以此处管线路采用的固定件会比较多，通常液压管路也会采用管径较粗的软管，所以此处的间隙要求会比较高。综上，很小的内偏角变化在吊挂后缘/机翼后缘过渡区域的所产生的影响是比较大的，同2.2节中描述的一样，内偏角的确定需要结合短舱展向位置与机翼主结构，以及活动件进行综合考虑，来确定吊挂后缘与机翼后缘过渡区域的布置通道。

2.5 短舱上仰角α

α的设计范围通常是0°至2.5°，通常，α增加1°，吊挂上整流罩在发动机机匣附近垂直方向会产生50mm的垂直位移，若超过了机翼前缘线平面，则可以在上整流罩中部和后部适当的降低高度，不至于使上整流罩超过机翼前缘线平面，或者通过设计合适的短舱/吊挂防火墙来降低吊挂上整流罩的高度，因此短舱上仰角对于吊挂布置空间的影响较小。

2.6 短舱滚转角γ

如图3所示，γ变化只会对吊挂与机翼的夹角产生影响，这对吊挂内部布置空间几乎没有影响，但γ的变化会较大地影响结构形式，例如A320飞机吊挂垂直于地面，而B737飞机吊挂垂直于机翼，两者的吊挂结构形式完全不同。所以，滚转角的选取应当同时评估结构形式及吊挂布置空间。

3 总结

吊挂系统布置空间受到短舱安装位置的影响，（下转第11页）（上接第9页）其中，展向位置、前伸量和下沉量对吊挂布置空间的影响是最大的，其余参数的影响较小。在飞机设计的初步布置阶段确定翼吊短舱位置时，除了考虑常规因素，将吊挂系统布置空间因素纳入到设计考虑的范畴中，是非常必要的。所以，短舱布局的确定，需要总体、气动、结构、系统各个专业充分的协调，最终确定一个全局最优的短舱布局方案，避免出现飞机性能下降以及由于返工造成时间和成本的浪费。

【参考文献】

[1]赵秀峰，谭申刚，沈威，等.翼吊式发动机安装设计综述[J].航空工程进展，2013，8，4（3）.中国航空业集团第一飞机设计研究院，西安710089.

[2]党铁红.翼吊布局民用飞机发动机安装设计[J].民用飞机设计与研究，2008（2）： 8-14.

[3]程不时，等.飞机设计手册.第五册.民用飞机总体设计[M].航空工业出版社.

[4]邹运佳.民用飞机吊挂总体布置方法研究[J].科技传播，2014（16）.

[5]CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].

[6]杨彬.民机动力装置的集成设计[J].国际航空，2015（6）.

[7]赵海涛.大型客机机翼系统布置设计研究[J].科技信息，2011（24）.

[责任编辑：王伟平]