【摘 要】商用飛機(jī)翼吊短艙安裝位置是飛機(jī)總體布局的重要參數(shù)之一，會(huì)對(duì)飛機(jī)性能產(chǎn)生重要影響；吊掛是連接短艙/發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)翼的結(jié)構(gòu)部件，其內(nèi)部機(jī)載系統(tǒng)的布置需求也會(huì)在一定程度上影響飛機(jī)性能。本文討論了控制短艙位置參數(shù)的變化對(duì)吊掛系統(tǒng)布置空間的影響，并得出相關(guān)結(jié)論，為短艙位置和吊掛系統(tǒng)布置工作提供支持。

【關(guān)鍵詞】商用飛機(jī)；翼吊短艙位置；吊掛系統(tǒng)布置空間

【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線飛機(jī)采用上反、后掠、下單翼的機(jī)翼布局和雙發(fā)翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)短艙布局，其中，翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)短艙安裝位置是飛機(jī)設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)之一，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)飛機(jī)形成產(chǎn)生很大程度的影響。吊掛作為連接發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和機(jī)翼的結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)部系統(tǒng)的布置方案，也會(huì)對(duì)飛機(jī)性能產(chǎn)生一定影響。

在飛機(jī)研制周期中，短艙位置通常在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)確定，而吊掛系統(tǒng)布置通常貫穿于初步設(shè)計(jì)階段到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，吊掛系統(tǒng)布置工作一旦在飛機(jī)設(shè)計(jì)后期產(chǎn)生嚴(yán)重問題，若通過調(diào)整短艙位置解決問題，其代價(jià)是非常巨大的，若不改變短艙位置而采用其他方法，也會(huì)付出飛機(jī)性能的代價(jià)。為了提高飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，吊掛外形通常會(huì)設(shè)計(jì)得比較緊湊，造成其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)布置空間較小，由于吊掛臨近發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、高溫和電纜強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)給吊掛造成嚴(yán)酷的內(nèi)部環(huán)境，提高了系統(tǒng)布置要求，因此，確定短艙位置時(shí)考慮吊掛系統(tǒng)布置空間的因素，是非常重要的。

1 翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置參數(shù)和吊掛系統(tǒng)布置概述

1.1 用于確定短艙位置的參數(shù)[1-3]

以下6個(gè)參數(shù)用于確定短艙位置：前伸量X定義為短艙外涵道出口上緣點(diǎn)Pexit與當(dāng)?shù)匾硇颓熬夵c(diǎn)PLE的水平距離；下沉量Z定義為Pexit與PLE的垂直距離；展向位置Y定義為Pexit與機(jī)身對(duì)稱平面Asym的距離；上仰角α定義為短艙軸線在機(jī)身對(duì)稱平面上的投影線L1與水平面Ahorizontal的夾角；內(nèi)偏角β定義為短艙軸線在水平面上的投影線L2與Asym的夾角；滾轉(zhuǎn)角γ定義為L(zhǎng)3與Asym的夾角，其中，L3為Pexit與其在短艙軸線上Lengine-axis投影點(diǎn)Pexit-project的連線，在同時(shí)垂直于Asym和Ahorizontal的平面上的投影線。

1.2 短艙位置參數(shù)選取的原則[2，3，6，7]

對(duì)于采用常規(guī)機(jī)翼/短艙/吊掛布局的飛機(jī)而言，短艙安裝參數(shù)的選取主要考慮以下幾個(gè)方面：最小氣動(dòng)阻力、全機(jī)重心影響、單發(fā)失效偏航力矩、轉(zhuǎn)子爆破、短艙擦地、起落架設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)空間?；谶@些設(shè)計(jì)考慮，前伸量X通常取當(dāng)?shù)貦C(jī)翼弦長(zhǎng)的15%-17%，下沉量Z通常取當(dāng)?shù)貦C(jī)翼弦長(zhǎng)的10%左右。展向位置Y通常為33%-38%的半翼展長(zhǎng)處，上仰角α通常取+1°至+3°左右，內(nèi)偏角β通常取-2°左右，滾轉(zhuǎn)角γ通常取+3°左右，上述6個(gè)參數(shù)示意圖見圖1至圖3。

1.3 吊掛系統(tǒng)布置空間概述

吊掛通常由三部分構(gòu)成：上整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道隔離結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱Bifi）和后緣，如圖4所示。吊掛與發(fā)動(dòng)機(jī)的布置通道通常有兩個(gè)，分別是上整流罩前端/發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣通道和Bifi區(qū)域/發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)通道，出于安全考慮，這兩個(gè)通道有明確的防火分界面，即防火墻，系統(tǒng)管線路在防火墻上通過防火/耐火接頭連接。吊掛與機(jī)翼之間的布置通道有兩個(gè)，分別是機(jī)翼前緣布置通道和機(jī)翼后緣布置通道，機(jī)翼前后緣之間通常是機(jī)翼油箱，通常不作為系統(tǒng)布置通道。

圖1 前伸量X、下沉量Z及上仰角α示意圖

圖2 展向位置Y及內(nèi)偏角β示意圖

圖3 滾轉(zhuǎn)角γ示意圖

1.4 翼吊短艙的吊掛系統(tǒng)布置原則

根據(jù)吊掛環(huán)境和系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，翼吊短艙吊掛系統(tǒng)布置原則主要有以下3個(gè)方面：

1）系統(tǒng)的布置必須保證能夠滿足系統(tǒng)功能、安全性和維修性等方面的要求[4]；對(duì)于按照CCAR-25-R4[5]取證的飛機(jī)而言，電纜的布置應(yīng)當(dāng)滿足該規(guī)章H分部的EWIS隔離要求；

2）軟硬線系布置采用先拉桿后鋼索再管路的原則；電纜布置采用先粗后細(xì)，先硬后軟的原則；系統(tǒng)布置從上到下的原則順序是：一般氣體、電纜、水/廢水、易燃及腐蝕性液體[4]；

3）在不滿足相關(guān)要求的情況下，允許采用等效設(shè)計(jì)手段并能表明能夠達(dá)到與相關(guān)要求一樣的安全水平。

2 翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置對(duì)吊掛系統(tǒng)布置的影響分析和設(shè)計(jì)考慮

2.1 短艙前伸量X

X越小，吊掛上整流罩和Bifi的布置空間沿短艙軸線方向會(huì)減小，發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道進(jìn)氣口距離機(jī)翼前緣變近，這對(duì)于系統(tǒng)布置很不利，例如：氣源系統(tǒng)的引氣管在空間緊張的情況下需要改變截面形狀、增加轉(zhuǎn)彎數(shù)量等方式來滿足布置要求，導(dǎo)致引氣性能降低，間接影響飛機(jī)性能。

反之，X越大，發(fā)動(dòng)機(jī)離機(jī)翼越遠(yuǎn)，會(huì)增加上整流罩區(qū)域和Bifi區(qū)域的布置空間；如圖4所示。

2.2 短艙下沉量Z

Z越小，發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)上移，直接導(dǎo)致吊掛Bifi和上整流罩區(qū)域的上移，因此會(huì)對(duì)吊掛布置空間產(chǎn)生以下三方面影響：

1）會(huì)使吊掛上整流罩超過機(jī)翼前緣水平延伸面，這樣會(huì)破壞吊掛當(dāng)?shù)氐臋C(jī)翼上表面外形，影響機(jī)翼氣動(dòng)性能，例如B737飛機(jī)吊掛上整流罩。若限制吊掛上整流罩高度，就必須增加吊掛寬度以滿足系統(tǒng)布置需求，這樣很可能會(huì)與機(jī)翼高升力活動(dòng)面發(fā)生干涉，若更改高升力活動(dòng)面構(gòu)型避免干涉，則會(huì)影響飛機(jī)低速性能；

2）吊掛與短艙內(nèi)側(cè)機(jī)翼前緣通道呈銳角，如圖2所示，為了滿足系統(tǒng)布置的安全性和維修性，系統(tǒng)管線路在此區(qū)域轉(zhuǎn)彎較多，接頭較多，且高溫引氣管路、EWIS電纜和可燃液體管路均集中于此，管路彼此之間交匯很多，所以此處的布置空間要求很高，若下沉量減小，會(huì)直接減小此處的布置空間，各系統(tǒng)之間的間隙不得不被壓縮，帶來安全性和維修性問題，解決這些問題往往會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)性能降低；

3）短艙外涵道出口與機(jī)翼的間隙變小，氣流在此處的流速增加，很可能出現(xiàn)激波，增加氣動(dòng)阻力，這也使得此處的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)比較敏感，會(huì)極大限制吊掛內(nèi)部布置空間。

反之， Z越大，對(duì)吊掛布置空間越有利，如布置空間足夠，可是適當(dāng)減小吊掛的寬度以減小氣動(dòng)阻力。

2.3 短艙展向位置Y

2.3.1 對(duì)機(jī)翼前緣通道的影響

Y越大，吊掛進(jìn)機(jī)翼前緣過渡區(qū)域的翼型厚度會(huì)增加，因此過渡區(qū)域的布置空間較大，有利于系統(tǒng)布置；Y越小，翼型厚度會(huì)變薄，不利于系統(tǒng)布置；但是，對(duì)于采用上反角機(jī)翼的飛機(jī)而言，短艙越靠近機(jī)身，短艙離地高度就要減小，此時(shí)就要Z減小來滿足短艙最小離地要求，對(duì)于系統(tǒng)布置而言，需要權(quán)衡選取參數(shù)Y和Z的收益。

圖6 某型飛機(jī)吊掛進(jìn)入機(jī)翼后緣系統(tǒng)布置通道

2.3.2 機(jī)翼后緣通道的影響

吊掛與機(jī)翼后緣的過渡區(qū)域比較復(fù)雜，因?yàn)樵搮^(qū)域包含了襟翼、后梁、輔助梁、擾流板等主要結(jié)構(gòu)，以及機(jī)翼后緣區(qū)域的系統(tǒng)設(shè)備和管線路，如圖6所示，吊掛進(jìn)入機(jī)翼后緣的通道與機(jī)翼后梁與輔助梁連接處以及擾流板和三角區(qū)距離很近，其中，擾流板是運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其鉸鏈結(jié)構(gòu)，作動(dòng)器等需要較大的運(yùn)動(dòng)空間，輔助梁和三角區(qū)作為主起落架載荷主要的傳遞結(jié)構(gòu)，與后梁的連接結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)較大的空間，三角區(qū)的機(jī)翼下壁板通常會(huì)加厚，口蓋設(shè)計(jì)受極大限制，可達(dá)性較差。

2.3.3 吊掛布置空間

Y越小，當(dāng)?shù)貦C(jī)翼弦長(zhǎng)也會(huì)變長(zhǎng)，吊掛后緣收縮率會(huì)比較低，有利于設(shè)計(jì)吊掛后緣外形，同時(shí)也會(huì)有利于系統(tǒng)布置；短艙越靠近翼尖，吊掛后緣外形收縮率會(huì)比較高，容易產(chǎn)生氣流分離，增加氣動(dòng)阻力，這種情況下，如果吊掛后緣外形不滿足系統(tǒng)布置空間要求，則增加布置空間很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@樣會(huì)帶來更嚴(yán)重的氣動(dòng)問題。

2.4 短艙內(nèi)偏角β

根據(jù)第二章的描述，β通常選取-2°左右（短艙前部向機(jī)身方向靠近為正），內(nèi)偏角β的變化的軸線通常位于發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道出口上緣，如圖6所示，β變化1°會(huì)導(dǎo)致吊掛后緣點(diǎn)50mm左右的平移，通常吊掛后緣與機(jī)翼后緣并不是固定連接，在飛行過程中兩者存在振動(dòng)相對(duì)位移，所以此處管線路采用的固定件會(huì)比較多，通常液壓管路也會(huì)采用管徑較粗的軟管，所以此處的間隙要求會(huì)比較高。綜上，很小的內(nèi)偏角變化在吊掛后緣/機(jī)翼后緣過渡區(qū)域的所產(chǎn)生的影響是比較大的，同2.2節(jié)中描述的一樣，內(nèi)偏角的確定需要結(jié)合短艙展向位置與機(jī)翼主結(jié)構(gòu)，以及活動(dòng)件進(jìn)行綜合考慮，來確定吊掛后緣與機(jī)翼后緣過渡區(qū)域的布置通道。

2.5 短艙上仰角α

α的設(shè)計(jì)范圍通常是0°至2.5°，通常，α增加1°，吊掛上整流罩在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣附近垂直方向會(huì)產(chǎn)生50mm的垂直位移，若超過了機(jī)翼前緣線平面，則可以在上整流罩中部和后部適當(dāng)?shù)慕档透叨?，不至于使上整流罩超過機(jī)翼前緣線平面，或者通過設(shè)計(jì)合適的短艙/吊掛防火墻來降低吊掛上整流罩的高度，因此短艙上仰角對(duì)于吊掛布置空間的影響較小。

2.6 短艙滾轉(zhuǎn)角γ

如圖3所示，γ變化只會(huì)對(duì)吊掛與機(jī)翼的夾角產(chǎn)生影響，這對(duì)吊掛內(nèi)部布置空間幾乎沒有影響，但γ的變化會(huì)較大地影響結(jié)構(gòu)形式，例如A320飛機(jī)吊掛垂直于地面，而B737飛機(jī)吊掛垂直于機(jī)翼，兩者的吊掛結(jié)構(gòu)形式完全不同。所以，滾轉(zhuǎn)角的選取應(yīng)當(dāng)同時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)形式及吊掛布置空間。

3 總結(jié)

吊掛系統(tǒng)布置空間受到短艙安裝位置的影響，（下轉(zhuǎn)第11頁(yè)）（上接第9頁(yè)）其中，展向位置、前伸量和下沉量對(duì)吊掛布置空間的影響是最大的，其余參數(shù)的影響較小。在飛機(jī)設(shè)計(jì)的初步布置階段確定翼吊短艙位置時(shí)，除了考慮常規(guī)因素，將吊掛系統(tǒng)布置空間因素納入到設(shè)計(jì)考慮的范疇中，是非常必要的。所以，短艙布局的確定，需要總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)各個(gè)專業(yè)充分的協(xié)調(diào)，最終確定一個(gè)全局最優(yōu)的短艙布局方案，避免出現(xiàn)飛機(jī)性能下降以及由于返工造成時(shí)間和成本的浪費(fèi)。

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[責(zé)任編輯：王偉平]