民用飞机平尾前缘布置设计

杨粉蓉 凡玉 李鹏

【摘 要】平尾前缘是指沿弦向位于平尾盒段前梁之前的非活动翼面结构部分，主要布置有结构隔板、除冰系统、液压管路、电气电缆等。本文主要介绍了民用飞机平尾前缘布置原则和影响因素，为民用飞机平尾前缘布置提供了设计方法和思路。

【关键词】平尾；前缘；布置

中图分类号： V216 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0085-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.038

【Abstract】Horizontal stabilizer leading edge is the non-movable structure which is located in front of the spar box. The structural rib，deicing system，hydraulic pipes and electric cable are installed in/on the leading edge.This paper mainly introduces the layout design principle and influencing factors of civil aircraft horizontal stabilizer leading edge， and provides design methods and thoughts for the civil aircraft horizontal stabilizer leading edge layout.

【Key words】Horizontal stabilizer；Leading edge；Layout

0 引言

民用飛机水平尾翼按区域分为前缘、盒段、后缘和升降舵；平尾前缘指沿弦向位于平尾盒段前梁之前的非活动翼面结构部分。平尾前缘主要受气动载荷和惯性载荷，不参与平尾总体受力；主要功能为保持气动外形，减小飞机阻力，保护主承力结构避免受到冲击损伤[1，2]。

平尾前缘布置的重点是考虑前缘抗鸟撞要求和除冰要求。为满足前缘抗鸟撞要求，平尾前缘结构中常布置有密肋结构（如图1）、附加蒙皮结构（如图2）或者斜梁结构（如图3）。为满足前缘除冰要求，前缘内部都布置有除冰系统。为了不影响盒段主结构的整体传力要求，液压管路及EWIS电缆布置常穿过前缘[3-6]。

平尾前缘空间不大但作用十分关键，在飞机设计初期，需从总体的角度出发，全面考虑相关专业要求，合理布置，以满足飞机最佳性能，并以飞机适航取证为最终目标。

1 布置原则

民用飞机平尾前缘是满足平尾抗鸟撞要求和除冰要求的重要区域，对其内部各系统设备及元件进行布置设计的目标与原则如下：

1）满足抗鸟撞要求；

2）满足除冰系统安装要求；

3）前缘内的液压管路、电气设备及电缆布置必须确保安全性、可靠性和可维护性，满足相关适航条款要求。

2 布置设计要求

民用飞机平尾前缘在总体布置设计时，应在符合CCAR-25-R4适航条款要求的基础上，满足总体设计要求及其他相关系统设计要求。

2.1 适航要求

平尾前缘布置设计时，所有的结构及系统安装均要满足以下适航条款要求：

1）CCAR 25.301 载荷；

2）CCAR 25.303 安全系数；

3）CCAR 25.581 闪电防护；

4）CCAR 25.609 结构保护；

5）CCAR 25.611 可达性措施；

6）CCAR 25.631 鸟撞损伤；

7）CCAR 25.869 系统防火；

8）CCAR 25.1301 功能和安装；

9）CCAR 25.1309 设备、系统及安装；

10）CCAR 25.1316 系统闪电防护；

11）CCAR 25.1353 电气设备及安装；

12）CCAR 25.1431 电子设备；

13）CCAR 25.1435 液压系统。

2.2 总体布置要求

1）满足平尾前缘抗鸟撞要求；

2）满足除冰系统安装与维护要求；

3）飞机内部设备、系统配置原则上服从于结构主受力件布置。

2.3 平尾前缘抗鸟撞要求

尾翼结构的设计必须保证飞机在与3.6公斤（8磅）重的鸟相撞之后，仍能继续安全飞行和着陆，相撞时飞机的速度（沿飞机飞行航迹相对于鸟）等于按第25.335（a）条选定的海平面VC。通过采用静不定结构和把操纵系统元件置于受保护的部位，或采用保护装置（如隔板或吸能材料）来满足本条要求是可以接受的。在用分析、试验或两者的结合来表明符合本条要求的情况下，使用结构设计类似的飞机的资料是可以接受的。

2.4 除冰系统布置要求

飞机在结冰气象条件下飞行时，云层中的过冷水滴撞击并冻结在水平尾翼表面，造成重量及阻力的性能代偿损失，影响飞机安全，所以飞机必须设置防冰系统。平尾前缘位于水平安定面翼型的最前端，要满足防冰和除冰要求。飞机防冰系统用于保证飞机在整个飞行过程中，当遇到结冰情况时或者预感到飞机将要进入结冰区域时能够除冰，提前使防冰系统进入工作状态，对防护区域进行结冰防护。

2.5 液压管路和EWIS电缆布置要求

为满足主飞控及液压源功能要求，现民机平尾前缘布置液压管路和EWIS电缆较多为常见。首先，液压管路和EWIS电缆布置应沿平尾前梁展向铺设，沿前梁腹板“一上一下”布置，EWIS电缆布置前梁上缘条区域，液压管路布置前梁下缘条区域，避免因液压管路渗油发生对电缆的污染和腐蚀现象。其次，管路和电缆布置时设定间隙，且管路设计有电磁防护。再者，管路和电缆均需要固定支撑，应设计有固定支架。管路和电缆布置时最好避让开鸟撞常发生区域。

2.6 维修互换性要求

平尾前缘布置设计时，考虑鸟撞因素，平尾前缘应尽可能满足维修互换性、可达性、快捷高效、低成本等要求。平尾前缘多设计为可拆卸结构。即便于结构和系统设备的检查和维护，如果遭遇鸟撞损坏，前缘也可以局部修复或者整体更换。

2.7 经济性要求

平尾前缘布置时，在满足系统功能的前提下，必须兼顾经济性要求，提高结构效率，减少相关系统更换和维修费用。

3 平尾前缘布置的影响因素

平尾前缘布置的影响因素包括：满足抗鸟撞要求的结构件布置；除冰系统、液压系统管路和电气电缆的空间布置和维修性因素等。

3.1 结构件布置

前缘蒙皮为细长薄壁结构，刚度小，前缘中弦向布置多个隔板提供支撑。除了支撑外，前缘遭遇鸟撞时，弦向隔板可以起到吸能作用，避免主结构受到损坏。多数飞机前缘隔板与平尾翼盒的肋一一对应，可以在与翼盒肋对应的相邻两个隔板中间等距再布置一个或者多个隔板。一般平尾前缘隔板轴线垂直于平尾前梁布置，部分隔板轴线在平尾前梁处与肋轴线交汇。

为了满足前缘抗鸟撞要求，在密肋结构的基础上，有些飞机在前缘顶部粘贴部分附加蒙皮结构，一种在蒙皮外侧，一种在蒙皮内侧，附加蒙皮投影宽度一般占前梁宽度的三分之一左右；有些飞机在前缘中布置斜梁结构。添加附加蒙皮结构或者斜梁结构，可以适当减少前缘隔板数量，但最终布置必须满足静强度和动强度设计要求。

结构件布置必须满足制造工艺和装配工艺要求。

3.2 除冰系统布置

现有的平尾前缘除冰系统多用电加温除冰系统和机械式除冰系统，前缘内布置必须为除冰系统留出安装空间和维护通路。

3.3 液压系统管路与电气电缆的空间布置

EWIS电缆与液压管路由上至下敷设于前缘内部，两个系统的布置除了需分别满足各自的规范外，其空间相对位置也有特殊要求。具体布置方法如下：

1）在前缘每个横向隔板上开减轻孔，使得液压管路与EWIS电缆穿过，管路与电缆通过卡箍和支架固定在结构上；

2）液压管路与EWIS电缆之间间距应满足两个系统布置安装规范；

3）根据CCAR25.863相关条款，在平尾前缘内，液压管路为潜在泄漏源，其不应布置在电缆上方，否则存在液压泄漏液体腐蚀电缆引起电弧起火的隐患。因此EWIS 电缆需在空间位置上尽量布置于液压管路上方或错开。在穿过结构隔板减轻孔时，可考虑电缆在上、液压在下，或者展向分布两种不同的布置方法以满足适航条款要求。

3.4 维修互换性影响

平尾前缘需要充分考虑维修互换性的影响，合理规划维护通道，便于维修人员对前缘内系统进行检查维护。同时考虑鸟撞因素，民用飞机平尾前缘一般设计为可拆卸结构形式，能够保证维修人员对前缘内部系统设备的检查和维护，前缘遭遇鸟撞损坏时，也可以整体更换。

4 结论

水平尾翼前缘的布置对飞机设计具有重要意义。前缘内各系统的布置是循序渐进、反复迭代的过程，应尽可能充分考虑影响布置的各项因素，在满足鸟撞和除冰等要求的基础上，实现最合理结构重量最轻的结构布置与设计目标。

【参考文献】

[1]《飞机设計手册》总编委会.飞机设计手册，第10册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2]CCAR-25-R4，运输类飞机适航标准[S].2011.

[3]李娜，吴志斌，孔令勇，等.某型飞机平尾前缘抗鸟撞优化设计[J].飞机设计，2014（5）：15-19.

[4]谢灿军，童明波，刘富，等.民用飞机平尾前缘鸟撞数值分析及试验验证[J].振动与冲击，2015，34（14）：172-178.

[5]代学桂，邓光文，李建伟.某型飞机平尾前缘再制造重量分析[J].航空维修与工程，2017（6）：48-52.

[6]李立，白俊强，郭同彪，等.考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计[J].航空学报，2017，38（9）：203-216.