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精心的设计,XWB将采用新型起落架结构设计

2019-11-28 02:24

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Structure and Aerodynamic Technologies for A380空客在A380在设计中不仅解决了巨型结构尺寸所带来的一些工程技术问题,而且采用大量的新型结构材料,减轻了结构重量,并在整体设计中率先对机体进行计算流体力学设计和优化李苏楠空中客车A380是迄今世界上正在生产之中的尺寸最大、客/货容量最高的喷气客机。到2006年它投入使用时,将会对21世纪大型民用喷气客机市场产生一个不小的冲击波,进而改变几十年来在大型客机市场一直被波音747垄断的局面。 关于A380计划的发展和设计特点,本刊已经作过大量的报道。本文重点介绍A380采用的部分先进结构和气动力设计技术。选择最佳机身截面作为目前世界上最大的民用客机,A380既要充分满足用户获得最大机身容量的要求,又要满足适航机构提出的飞机外型尺寸不得超出80米见方的空间限制的机场停放要求。为此,空客为A380选择了竖卵形机身横截面形状,这是目前业内公认的,舱内容积截面最大,同时又能满足限定的条件。 A380机体上下两部分均采用宽体飞机机体结构组成。之所以选用这样的结构,是因为如果采用宽体飞机下机身与窄体上机身的组合形式,其机舱内部空间会受到较大的限制;如果采用进一步增加机身宽度的方式,虽然能满足乘客的登离机要求,但却降低了飞行经济性。机体CFD优化设计A380是空客有史以来首次先对机体采用先进计算流体动力学方法进行结构设计和优化的产品。尽管从飞机整体设计角度来看,机翼对飞机的总气动性能影响最大,但空客用CFD技术先对A380机身进行结构设计和优化后,飞机的总体阻力减少了2%以上。在对A380机身进行CFD优化设计中,机头部位的优化设计工作是最为关键的。这其中有两个重要的考虑因素,一是因为A380作为第一种全机身长度都采用双层机身布局的飞机,其机头设计必须要满足双层客舱布局飞机钝形机头的设计特点;二是A380在整个设计过程中必须要满足FAA提出的80米见方的机场停放空间的限制。 另外,飞机在总体设计中还需要综合考虑阻力、机身宽度、舱内声学特性等各种气动的、结构的和环境的要求。 最终机头设计结果使全部流经机头上部的亚音速气流流速控制在大约M0.85,并能够在速度高达M0.89时也不会产生激波。前机身段相对机身其他部位而言利用价值更高,因此设计人员针对驾驶舱门窗周围的气流作了大量细致深入的CFD优化设计工作。仅为确定驾驶舱位置前后就花了4年时间,作了多次修改。 目前A380的驾驶舱位于飞机机头的中部,机头的外形曲率也改得稍稍平缓了些,因为飞机头部曲率较小有利于增加抬头力矩和飞机配平。包括驾驶舱和前部地板下货舱在内,A380的前机身段共分为四个独立的舱室,其余两个舱室为前起落架舱和雷达舱。一块带有曲度的密封增压隔板通过激光束焊接技术与驾驶舱门和前机身下部焊接到一起,将驾驶舱密封舱与前起落架和气象雷达舱分隔开来。大量采用先进结构材料在A380整体结构中,不包括玻璃纤维增强铝材料在内,复合材料占总结构重量的22%。其余结构材料所占比例分别为:铝合金61%,Glare 3%,钛和钢10% ,其余为表面防护材料等。 A380大尺寸机头整流罩材料由铝合金和石英纤维复合材料夹层构成,其中雷达罩采用石英纤维复合材料夹层。Glare材料主要应用于上机身壁板、机头顶部壁板和侧壁板结构,并被广泛用于A380前后上机身段 。由于这种材料优越的抗鸟撞能力,设计人员还在研究将来将这种材料应用在后面批次A380尾翼前缘结构的可能性。 A380中机身段上部主要采用AL2015/2024型铝合金制造,这种材料良好的抗疲劳损伤能力和损伤容限性能,可满足增强这些部位结构剩余强度和防止裂纹扩展的性能要求。采用先进激光束焊接技术在A380上,先进的激光束焊接技术将用来代替传统的铆接工艺,以减少组装时间,降低组装成本。这实际上是激光束焊接技术在制造整体机身蒙皮领域应用的一种延伸。激光束焊接技术曾在整体机身蒙皮制造中用来将桁条和蒙皮焊接到一起。目前空客已经将激光束焊接技术用于焊接两块小尺寸的A318蒙皮壁板。据介绍,将来他们还将把这种技术拓展到用来将焊接卡箍与框、壁板与驾驶舱隔框,以及中机身壁板。减轻结构重量的种种努力在A380的设计和生产过程中,减重是一个十分重要而艰巨的任务。设计人员为此付出了巨大的努力。中央翼盒对机翼中央翼盒所做的大量减重措施包括:翼盒上、下蒙皮壁板,前、中、后梁等都采用复合材料制造;上梁、地板支柱和机体的主框支撑结构使用铝材。A380中央翼盒段中所用的大部分复合材料都是碳纤维增强材料,所用的铝合金材料种类多达7000多种。 巨型机腹整流罩A380的机腹部被一个巨型的机腹整流罩罩住。机腹整流罩由大约100个复合材料蜂窝夹层结构蒙皮壁板构成,从而大大减轻了结构重量。 客舱地板结构A380货舱地板梁采用的是常规AL7175铝合金,但主舱地板梁最终将采用重量更轻的Al-Li-C460/2196铝锂合金制造。这种材料目前技术已趋成熟,价格也适中。 在A380的设计中,采用凯夫拉复合材料作为上层客舱的地板梁是空客在结构设计上的一个技术创新。目前空客还正在研究采用钛合金制造A380的座椅滑轨。因为调查表明,很多民航用户比较喜欢目前在波音777飞机上用的这种抗腐蚀性能比较好的座椅滑轨。但显然采用这种高密度材料将要付出一定增加重量的代价。在A380机翼设计过程中,设计人员也采取了很多减轻结构重量的技术措施。精心的机翼设计A380巨大的机翼从翼根到翼尖足足有36.6米长,根部弦长为17.7米,比A320一侧机翼的翼展还要长。 面对这样的巨型升力面,设计人员在机翼设计过程中,除了要考虑上述FAA提出的80米见方的机场空间限制之外,在机翼尺寸和外形设计中还要考虑很多其他限制条件造成的影响。 例如,机翼的根梢比要受到了机翼面积和翼根弦长两方面的约束限制。而后者本身又需要满足FAA提出的飞机两个舱门之间的最大间距不得超过18.3米的规定。这样一来,A380的应急出口需设在上层舱的前门,应急逃离滑梯必须位于机翼前、后缘的上面。在这些限制条件下,机翼最终的面积为845平方米,比目前的波音747的524平方米大了很多。 A380机翼的尺寸主要是受到机场现有基础设施要求的限定,不然设计人员大概更愿意采取加长翼展而不是增加翼面积的做法。此外,由于A380属于一种高高客容量飞机,最终确定机翼面积时,还要综合考虑采用结构尽可能简单的增升系统。包括单缝后缘襟翼、前缘缝翼和两段前缘下偏装置等。 A380机翼的襟翼和缝翼设计,要达到使A380能以低于140节速度进场的性能目标。同时,最终确定的机翼尺寸要使之具有能够承受1.3g以上的抖振发生裕度。 根据空客的设计目标,A380应该能实现以最大重量起飞时,直接爬升到10500米高度的爬升性能目标。 前缘襟翼两段前缘下偏装置是在设计的后期才增加的,是为满足2002年的QC2要求所作的改进的一部分。 前缘襟翼下偏的角度位置是由翼根的位置确定,为了有助于改善飞机的起飞性能设计人员试图通过使翼根根部率先失速,给飞机一个正的机头下偏力矩,以减小飞机迎角,使之快速恢复到正常状态。目前这种新的前缘襟翼装置已经取代了空客最初设计的3.6米长的内侧机翼边条。基于CFD设计技术,A380机翼沿翼展方向不断改变机翼弯度和扭转角度,从而进一步减少2%的阻力,并减少了发动机吊舱对机翼干扰阻力。 在A380的设计过程中,空客共为之研究了17种不同的机翼平面设计方案,并对11种高速翼型进行了25次风洞试验。A380机翼的跨音速风洞试验工作将于今年年底完成。试验表明,A380机翼的升阻比提高了8%;马赫数灵活性提高了33%。机翼位于飞机35%到40%之间的中心范围处,比以前客机的位置都靠后。 机翼1/4弦长后掠角为34.46°,在每侧的两台发动机之间段变为35.73°,在机翼外缘段为33.5°。这符合空客在A380设计中提出的尽可能增加翼根的后掠角,减少外翼的后掠角的设计思想。把后掠角定在30°~35°之间,比747略小,比777略大。 A380机翼设计中一个重要的技术创新是增加了主动载荷管理系统。 该系统通过机翼两侧油箱转换系统实现机翼载荷的合理内部分布,补偿长期内载分布问题对结构造成的影响。独特的机翼结构早期空客飞机与A380在机翼设计上的不同之处,还在于工程技术上的突破,如能很快获得制造中所需的设计数据,加快生产进度。 机翼改进还包括全新的结构设计、新材料的广泛应用以及新的制造工艺和结构。例如,A380襟翼导轨是由复合材料与铝混合材料构成的。通常情况下,襟翼滑轨是一个密闭的盒式梁结构,是飞机结构中单纯的一个铝合金结构部件,但在A380飞机设计中它是一个重要部件,因为一旦飞机上的这个部件的尺寸被改变,会对飞机其他部件的改变带来连锁反应。 A380机翼与早期空客飞机的设计上有所不同,A380的大部分翼肋都与机翼的后梁垂直连接,几乎一直到翼根处也是如此。在辅助梁之后,翼肋开始出现沿纵向朝翼根偏斜,靠近翼根处的翼肋的长度大约为2.5米。 空客对A380机翼前缘部位的构架和翼肋进行了创新设计,专门设计的翼肋可以充当翼根处空间较大的前缘结构的支撑部件。 空客同时介绍了在其英国的工厂的一种内蒙皮打磨机,它可以取代目前用的打磨工序,降低每块机翼板条的重量,并提高桁条与蒙皮的连接质量。为达到减重的目的,A380机翼有25%的翼肋由凯夫拉复合材料制成,在这种大型飞机的机翼上用如此大比例的复合材料翼肋,在空客的飞机制造史上还是史无前例的 。 机翼的前缘由热塑性材料制成,机翼的三段副翼、八块挠流片和外侧襟翼则由凯夫拉材料制成,内侧襟翼由常规铝制蒙皮和桁条组成,并作为两段机头下偏装置。

[美国《航空航天网站》2006年12月10日消息] 据空客公司负责A350XWB的执行副总裁Tom Williams称,与以往的方案比,A350XWB最大的变化就是采用了更多的复合材料,它在232英寸直径的机身上,采用了由6块大的复合材料壁板安装在铝合金结构上。尺寸为13米×18米×16米大的复合材料壁板是该飞机的中心亮点。飞机的蒙皮设计方案使蒙皮厚度及复合材料的铺层得以优化。该结构的重量与单块式整体机身方案接近,他建议与787的方案进行对比。侧部接头的承载并不大,因而没有必要做得很大很重。空客相信,这种设计方案可较787每座减重14%。

[英国《飞行国际》2007年5月28日报道]空客公司作为向复合材料机翼结构转变的部分内容,将为其新机A350 XWB采用全新的主起落架连接方案。其方案借鉴了20世纪60年代 Vickers VC10的设计。 空客传统的做法是将主起落架用螺栓固定于机翼后梁。空客A350 XWB总工程师Gordon McConnell称,如果这种方式用于碳纤维复合材料机翼,这将对承受起落架载荷的这部分机翼的蒙皮厚度产生影响。因此,新的设计思路是:A350的每个主起落架支架向前连接到后翼梁、向后连接到起落架梁,后者本身也与机翼和机身相连。为进一步降低机翼承受的载荷,还采取了2处侧边连接构型。McConnell称,这些方法在VC10这样的飞机上均使用过。A350家族飞机的起飞重量在245吨至295吨范围内,空客为此设计了4轮和6轮的三叉式主起落架构型,以确保能满足跑道载荷限制。A350-800和-900将为4轮结构,起落架舱同为4.1米长。而-1000型将采用6轮结构,起落架舱长则为4.7米。梅塞尔-道蒂公司原先被选为A350的主起落架供应商,但空客尚未透露A350 XWB的供应商,仅表示将很快做出选择。

图:飞机在进行静力试验时,被“五花大绑”固定起来。其中,机翼部分会根据试验设计要求被钢缆吊着上下摆动。

他说,壁板的制造将比制出单筒整体复合材料机身更为容易。波音采用的是单筒整体复合材料机身。EADS公司具有生产这种结构的复合材料专业技术,但他声称,毫无疑问波音在该领域得到了政府资助。空客公司说,NASA的先进复合材料技术计划对于波音在大的复合材料机身结构制造工艺的成熟十分关键,从而促进了其采用单块整体机身设计方案。

前段时间,有一张A350XWB机翼静力试验的动图,在微信朋友圈、微博、知乎等平台上广为流传。图中的飞机被五花大绑着,而机翼部分被多条钢缆吊起来,像小鸟挥舞翅膀一样上下摆动,其弯曲变形幅度之大令人惊叹,让人不禁要问:飞机机翼到底能弯曲到什么程度?

壁板方案也具有优越性:空客可将任务分包给各供应商。这种战略将刺激供应商之间的竞争,从而保持价格在可控制的范围内,并易于引发创新。这些供应商可能包括萨弗朗公司、 Latecoere公司、萨伯公司、福克公司 、GKN公司及 Spirit航宇公司。

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在材料方面,最新的A350XWB将采用52%的复合材料,与以前选用量不足40%相比,有一个较大跃升。铝合金和铝锂合金加起来为20%,钛占14%,钢7%。

“塑料”飞机为“逆天”变形提供可能

Williams说: “我们在机体材料的选用上并不教条,复合材料主要用于机翼、机身、机腹整流罩、垂尾及平尾壁板。”铝合金主要用于地板梁结构及组件,而钛合金用于起落架、吊架及附件。(中国航空信息中心 陈亚莉)

我们可以先用手边的工具做一个比较简单的模拟。比如你手里拿了一把30厘米刻度的塑料直尺,首先将直尺的一端固定,然后用手把直尺另一端向上提升。这把直尺能够弯曲的程度就是看没有被固定的一端被提起的高度。那么,飞机机翼能弯曲到什么程度呢?这里有一组直观的数据。A350XWB机翼翼展为64.75米,翼尖最大向上弯曲约5.2米。被称为梦想客机的波音787机翼翼展为60.1米,翼尖最大向上弯曲达到7.9米。可见上述两款最新机型特别是波音787飞机的机翼弯曲程度堪称“逆天”,随之而来的疑问是:如此大的变形是如何实现的?

材料是最主要的因素之一。如果仍以直尺作一个不太恰当的比喻,同样长度的两把直尺,一把是塑料的,一把是钢的,给它们施加同样的力去提升,所能够达到的程度肯定是不一样的。对于当前的飞机制造来说,复合材料用量是衡量一款飞机先进性的主要标志之一。而A350XWB和波音787飞机的复合材料用量均高达50%,高比例的复合材料用量让这两款飞机被冠以“塑料飞机”的美誉。不仅如此,在其复合材料使用中,为飞机提供升力的机翼主结构采用了复合材料设计,这为机翼的“逆天”弯曲变形提供了可能。

复合材料究竟有什么“魔力”能让机翼出现如此大的弯曲?简单来说,这是因为复合材料具有较高的比强度、比刚度。当它用作大展弦比机翼材料时,在满足强度要求、气动要求的前提下,综合考虑气动弹性和减重性能,可以使复合材料机翼比常规材料机翼变形剧烈。因此复合材料机翼是现阶段实现上述“逆天”变形的前提条件。

变形有好处也有麻烦

机翼较大弯曲变形对飞机有什么影响呢?最直接的影响就是飞机的气动性能了。如果设计师在此基础上进行针对性设计,可实现更高速、更环保、更高效、更节俭的目的。波音787在此基础上采用了前瞻性的空气动力技术,比如可变翼腔技术、层流型短舱技术、平滑机翼技术等。这些技术让飞机在巡航飞行中,能够持续优化翼型和效率,从而降低油耗和成本。在空客官网对A350介绍中也提到:“A350XWB飞机采用了最新的气动外形、最好的设计理念和最先进的技术,燃油效率较同级别远程竞争机型提高了25%。”

不过,必须承认的是,机翼较大的弯曲变形为某些功能性设计带来不便,比如密封设计、管路布线、机构协调等。这是因为机翼弯曲变形会放大结构间隙,对密封结构构型、密封材料选择等提出了更高要求。同样,内部管路布线和机构协调要考虑机翼弯曲变形程度,保证在机翼弯曲变形时能够满足功能性要求。

安全性能优先保障

对飞机而言,安全性是永恒的主题,当看到机翼“逆天”弯曲变形之后,不少人会对飞机的安全性提出质疑,会担心这样会不会把机翼折断。对此也不必过于担忧。

飞机在设计时是按照极限载荷设计的,而所谓极限载荷是飞机在使用寿命期间所承受的最大载荷放大1.5倍得到的,并留有一定的安全裕度。事实上,每一型飞机在交付之前都经过了整机的静力和疲劳损伤容限试验验证,而试验所用载荷也为极限载荷。不仅如此,在验证过程中还综合考虑了飞机遇到的各种载荷工况。因此在如此严苛的设计和试验验证前提下,飞机的安全性是毋庸置疑的。

此外,文章开头所描述的“逆天”弯曲变形在乘客乘坐飞机飞行过程中并不会出现,仅存在于试验环节。综合飞机遇到的各种机动飞行动作和气动载荷,机翼受到最严重的向上载荷工况为2.5g正过载,此时飞机会产生服役过程中的最大弯曲变形。上文我们提到,试验载荷为极限载荷,对应最严重向上载荷工况的1.5倍,此时飞机机翼会产生“逆天”弯曲变形。因此已经交给航空公司运营的飞机在日常情况下,其机翼最大弯曲变形比试验载荷下的变形要小得多。飞机受到最大向上载荷,需要同时满足飞机以最大商载、最大起飞重量起飞,特定的飞机速度,并且遇到连续突风等严酷的自然环境状况等一系列条件才能出现,并不是飞机飞行过程中的常态。但即使偶有发生,经过了上述极限载荷的试验验证,你还担心机翼会折断吗?

了解了这些,下次再乘坐飞机时,靠窗而坐,看着窗外穿梭于云海中的机翼在空中划着优美的弧线,在领略大自然鬼斧神工的同时,你是否也会感叹一下飞机设计师们别具匠心的魅力?

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