全动舵面结构形式浅析

夏彦朋，方志晓，张 华，冷旻衠

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

为改善飞行器大迎角、超音速飞行时的机动控制能力，全动舵面成为先进飞行器的主要控制舵面，用以提高舵面操纵气动效率，如鸭翼、全动平尾、全动垂尾等。在三代机中，F-16、Su-27系列飞机采用全动平尾，欧洲EF-2000“台风”战机、歼10等型号采用鸭翼，四代机中，F-22及Su-57等型号采用全动垂尾及全动平尾。本文整理出了国内外主流战机的全动舵面结构，并分别对其传力路径进行分析，为全动舵面的结构设计提供参考。

1 主流战机全动舵面结构分析

1.1 F-16飞机全动平尾

该战机全动平尾有两种结构，一种为单梁全高度蜂窝夹芯结构；一种为波纹板梁式结构。

图1是F-16飞机全高度蜂窝夹芯结构示意图。它由碳/环氧树脂复合材料蒙皮、钛合金转轴梁、根肋、全高度蜂窝芯、玻璃钢前后缘及不锈钢包边等组成。转轴梁采用钛合金整体锻件机械加工而成，转轴梁在根肋内侧为一锥形管，自根肋开始变成“工”字梁。根肋分前后两段，均由钛合金制成，在胶接前焊接到转轴梁上。全高度蜂窝芯材采用铝制。上述零件胶接成全动平尾。

图1 全高度蜂窝夹芯结构示意图

该结构的传力情况：弯矩基本由厚蒙皮传递，梁缘条传递较少；剪力由夹芯、肋腹板、梁腹板传递；扭矩由蒙皮及前尾缘组成的闭室传递。所有载荷经单轴传递到机身上。

图2是F-16全动平尾波纹板梁式结构方案示意图。它由碳/环氧树脂复合材料蒙皮、铝合金转轴梁、根肋、波纹板梁/普通墙、蜂窝夹层结构前缘所组成。该结构方案是一种低成本设计方案，用铝合金代替了钛合金，用铝波纹板代替了蜂窝芯，用铆接代替胶接，这些措施都能大大降低成本并稳定产品制造质量，F-16后期生产的飞机，特别是出口型飞机大都采用这种结构。

图2 波纹板多墙式结构方案示意图

该结构的传力情况：弯矩由厚蒙皮传递，剪力由肋腹板及梁墙腹板传递；扭矩由蒙皮及墙组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。

1.2 某型机鸭翼

图3是某型机鸭翼单梁全高度蜂窝夹芯结构示意图。它由上下蒙皮、盒式梁、转轴梁、全高度蜂窝、前缘、根肋、后缘、翼尖等部分构成。

图3 某型机鸭翼结构方案示意图

该结构的传力情况：弯矩基本由厚蒙皮传递，梁缘条传递较少；剪力由夹芯、肋腹板、梁腹板传递；扭矩由蒙皮、盒式梁及前尾缘组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。

1.3 欧洲EF-2000“台风”战机鸭翼

图4是欧洲EF-2000“台风”战机鸭翼多墙式结构示意图。它由上下蒙皮、墙、转轴、根肋、前缘等部分构成。

图4 欧洲EF-2000结构方案示意图

该结构的传力情况：弯矩基本由厚蒙皮传递，小部分由墙缘条传递；剪力由肋腹板及墙腹板传递；扭矩由蒙皮及墙组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。根部为提高扭转刚度，采用加强端肋。

1.4 Su-30MK飞机全动平尾

图5是Su-30MK飞机全动平尾结构示意图。它由上下加筋壁板、双梁、根部加强肋及普通肋等部分机械连接而成。

图5 Su-30MK飞机局部图

该结构的传力情况：弯矩基本由加筋壁板传递，小部分由梁缘条传递；剪力由肋腹板及梁腹板传递；扭矩由根部双梁、加强肋及壁板组成的扭力盒，以及梁与蒙皮组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。

1.5 F-14“熊猫”战机全动平尾

图6、图7为F-14“熊猫”战机全动平尾的结构示意图，主体上，其为多墙式结构。它由蒙皮、根部盒型件、加强肋、外段多墙式结构及前尾缘全高度蜂窝夹芯结构组成。

图6 “熊猫”战机全动平尾装配示意图

图7 “熊猫”战机全动平尾结构示意图

该结构的传力情况：弯矩基本由厚蒙皮传递，小部分由墙缘条传递；剪力由肋腹板及墙腹板传递；扭矩由根部加强扭力盒以及蒙皮、墙组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。

1.6 F-35全动平尾

图8为F-35全机结构示意图，其采用全动平尾，平尾结构形式为厚蒙皮多墙式结构。

图8 F-35飞机全机结构示意图

该结构的传力情况：弯矩基本由厚蒙皮传递，小部分由墙缘条传递；剪力由肋腹板及墙腹板传递；扭矩由蒙皮、根部加强肋及墙组成的闭室传递。弯矩及剪力经单轴传递到机身上，扭矩由摇臂提供的支反力来平衡，摇臂上的载荷经舵机传递至机身上。

1.7 F-22全动平尾

图9为F-22飞机局部结构示意图，图中所示平尾由根部骨架式结构及外段单梁全高度蜂窝结构组成。根部载荷较大且翼型高度相对较大，采用骨架式结构，以增加平尾的扭转刚度，将平尾上的弯矩、扭矩及剪力传到转轴上。平尾上的载荷经摇臂与转轴传至机身上。

图9 F-22飞机局部结构示意图

2 结论

当前主流战机采用的全动舵面结构形式有4种：

1）全金属梁肋式结构，如Su-30MK；

2）单梁全高度蜂窝/波纹板结构，如F-16和某型机鸭翼；

3）多墙式结构，如EF-2000；

4）根部加强盒段设计，外段有全高度蜂窝结构，如F-22，也有外段多墙式结构，如F-14和F-35。

通过分析可以知道，全动舵面在结构设计时，为尽可能降低结构重量，追求高的结构效率，多数飞机采用了厚壁板+梁/墙式结构或厚蒙皮+全高度蜂窝夹芯结构，在翼型厚度允许范围内对舵面的根部结构适当进行加强。一般而言，相对翼型厚度越小（约6%以下），采用全高度蜂窝夹层结构的结构效率相对较高。另一方面，翼型厚度增大时采用厚壁板+梁/墙式结构，其制造稳定性相对较高。

总之，在进行全动舵面设计时，应综合评估结构重量、颤振特性、全寿命周期的成本、制造稳定性及制造效率等因素选择全动舵面的结构形式。