民用飞机舱门提升原理分析研究

杨小军

摘 要：本文讨论了登机门在大型商用客机设计中的重要地位，通过对目前主流大型商用客机登机门开启方式的研究，引出提升平移外开式舱门设计的难点，即舱门提升原理分析及确定，并使用Matlab软件编写程序，使舱门提升这一过程参数化及可视化，可方便的应用于同类型舱门的设计过程中。

关键词：民机；舱门；四连杆机构；Matlab

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.242

1 引言

客舱登机门不仅是飞机中功能复杂，安全性高，适航约束多的部件，而且作为飞机中经常使用的，功能性非常明显，且机组人员经常操作的部件，其设计好坏直接影响运营人和旅客对于飞机的评价，影响飞机的商业前景。因此登机门设计的成功不仅有利于飞机的适航取证，对飞机的商业成功也至关重要。

目前主流大型商用客机的登机门普遍采用提升平移外开的打开方式，提升过程的分析及确定对于舱门设计至关重要。本文利用四连杆机构对于登机门提升过程进行简化，并编制Matlab程序实现了提升过程的参数化及可视化。

2 主流登机门开启方式

在民用航空发展的历程中，登机门的设计几经更迭。目前，主流大型商用客机的登机门主要有以下三种开启的运动形式。

第一为波音B737飞机登机门采用的内收扭转开启方式，舱门初始运动为向内并扭转一定角度，之后向外翻转打开约180°。

第二是空客A320飞机登机门采用的提升平移外开方式，即舱门初始运动向上提升，然后向航向前方平移打开。

第三是在波音B767飞机上采用的登机门开启方式，舱门向上划入客舱天花板，留出净开口空间。

以上三种类型的舱门，因其装备的波音和空客各型商用飞机的成功，均在其服役期间被证明是满足适航和客户双向需求的优异设计。航空工业的发展促进着适航条款的不断完善，同时，不断修订的适航条款与市场的需求又推动着航空工业创新不止。曾经被波音B737和B767采用的登机门开启形式均已沦为少数。目前，空客家族飞机上普遍采用的提升平移外开式的舱门被证明是最先进和最为市场认可的设计。

3 舱门提升原理

（1）舱门提升机构简介。典型的提升平移外开式舱门的提升机构如下图 1所示。铰链臂一侧与机身结构相连，一侧通过上下提升臂与门结构连接。

提升是舱门运动的第一步，提升是为了让安装在舱门上的止动块与门框上的止动块互相错开，后续舱门才能从门框被平移推开，让出净开口空间。

为防止舱门提升时与机身结构干涉，沿舱门外形曲线提升的方案为满足功能需求的最佳设计。

（2）提升过程参数化。图 1所示的登机舱门提升机构，可简化为下图 2。

其中：

铰链臂在舱门提升过程中相对于提升方向无位移，因此ABCD组成的四连杆机构，在AB或CD上施加绕其与铰链臂连接点处顺时针的驱动力矩均可实现EF的提升运动。

同时，曲线提升转化为数学表达的参数，即舱门蒙皮上的n个点，P1，P2…Pi…Pn，在提升的每一步，这n个点均对应一个新的位置，P1，P2…Pi…Pn，新的点位，到机身理论外形之间的距离分别为：d1，d2…di…dn。最理想的提升曲线必须保证d1，d2…di…dn均为正值，且其方差最小。

（3）优化目标。应用四连杆机构的计算方法对提升运动进行求解。图 3所示为一个平面四连杆机构，其中，A，B，C和D点均为可转动的鉸接连接，BCE固连在一起。

定义：

如图 3所示，若已知输入杆的长度|AB|，输出杆的长度|CD|，连接杆的长度|BC|和初始角度ρ，则连接杆BC上的任一点E的轨迹可计算得出。为图 3所示的四连杆机构建立坐标系，并设定：

上述公式5-9中的t用来定义杆AB的输入角度，结合杆长度|AB|，|BC|，|CD|和|DA|作为设计参数已知，则在某一时间t，上述9个公式对应的9个未知数均可得出唯一解。

4 Matlab计算模型

利用以上理论，建立Matlab模型仿真舱门提升过程。模型建立过程如下：

第一步，在几何模型上采点。舱门结构离散为密集的采样点。

第二步，将第一步采样的离散点坐标全部导入Matlab，转化为二维的矩阵。针对AB的每一个角度，可按照图 3所示的计算模型和公式5-1至5-9计算出输出杆BC的角度，进而在三角形△BCE中运用简单三角函数关系计算出来点E的新位置。

第三步，针对输入杆AB的每一步运动，将第二部的计算过程在每个舱门结构的离散点上进行复制，即得到所有离散点的一个新位置，所有在新位置的离散点的坐标代表了舱门结构提升后的新位置。

第四步，针对提升运动的每一步，计算舱门蒙皮上的离散点距离机身结构的距离。

第五步，提升结束后，计算对应时间Tn的所有采样点到机身蒙皮之间的距离的方差。

5 计算结果及结论

针对图 2所示提升机构设计编制了Matlab计算程序，并且整个提升过程可以在Matlab中进行可视化仿真，如图 4所示。

利用Matlab程序可方便进行输入参数的更改，并应用于其他具有类似提升机构的舱门，用来验证提升机构的设计是否合理并能实现预定的功能。