一种有单斜板的抗鸟撞飞机尾翼前缘的制作方法

本发明涉及飞机结构设计领域，具体是一种能够提高尾翼抗鸟撞性能的支撑结构。

背景技术：

鸟撞事故是指空中飞行的飞机等飞行器与飞行的鸟类相撞所发生的事故。随着民用航空行业的飞速发展，民机鸟撞事故成为民用航空最严重的安全威胁之一。据美联航有关报告显示，1990年到2008年间，美国民航共报告89727起动物与民航飞机相撞事故，其中97.4％是由飞鸟造成的。有关数据显示，飞机的迎风面，包括飞机风挡、雷达罩、发动机、机翼前缘及尾翼前缘是最易受到鸟撞的部位。前缘结构内部常设有油路系统或控制线路，这些内部设施一旦受到鸟撞破坏，灾难性事故就难以避免。因此上，解决好飞机尾翼前缘抗鸟撞性能的问题关系重大。中国民航总局制定的《运输类飞机适航标准》中第25条631款中明确规定，飞机尾翼结构的设计必须保证在飞机在与3.6公斤(8磅)重的鸟相撞之后，仍能继续安全飞行和着陆，相撞时飞机的速度等于飞机在选定海平面的巡航速度。研究表明，在高速撞击下，鸟体表现出明显的流体力学行为。

传统的密肋式机翼前缘遭到飞鸟撞击后，前缘蒙皮难以吸收鸟体撞击的巨大能量，鸟体一般会穿透前缘蒙皮直接撞击前梁结构，对前梁造成较大损伤，威胁飞行安全。目前针对尾翼前缘的抗鸟撞设计多采用高强度的复合材料和单纯的夹芯结构。其设计思路多为牺牲结构的功能外形，以其尽可能大的变形吸收鸟体撞击能量。另外如alessandroairoldi等人在相关文献中提到的一种垂尾前缘结构，其外表面采用铝合金材料，内部则采用带蜂窝夹芯的碳纤维复合材料。试验中用4磅的鸟体以270节的速度撞击结构，结构损坏明显。m.a.mccarthy等人则提出一种前缘蒙皮为fml复合材料的机翼前缘结构。试验中结构承受了4磅鸟体以200m/s的速度进行的撞击，前缘未被击穿但产生巨大变形。最近micheleguida等人又提出了一种夹芯前缘结构，夹芯结构两层面板分别采用fml复合材料与金属材料，芯层为蜂窝。试验过程中用8磅的鸟体以250节的速度对结构进行撞击，结果前缘并未被击穿，但整个结构产生了极大变形。可以看出，现有结构设计其制作费用极为昂贵，整个结构或被击穿，或产生极大变形，其抗鸟撞效果并不理想。发明人也曾对fml复合材料及蜂窝夹心结构的抗鸟撞性能进行过系统的实验研究和数值分析，分析结果显示，上述结构主要通过夹心的压溃、撕裂和面板的弯曲和拉伸变形来吸收鸟体撞击产生的冲击能量，造成结构增重明显，且产生较大塑性变形。

为克服飞机结构抗鸟撞现有技术中存在的大变形损伤及高费用的缺陷，西北工业大学在申请号为201110291295.9的发明专利申请中提出了一种能够增强飞机抗鸟撞性能的尾翼前缘。该尾翼前缘包括尾翼前缘蒙皮1、前缘加强件2、前缘加强件固定面3和小前梁4。其中前缘加强件2位于尾翼前缘内，其展向分布于翼展0～100％之间，其弦向分布于尾翼0～30％之间；前缘加强件2沿飞机尾翼展向分段固定在尾翼前缘内由翼肋构成的各跨之间；所述的前缘加强件2的外形呈等腰三角形；前缘加强件2顶角的角度与尾翼前缘蒙皮顶角的角度相同，并且该顶角为圆弧过渡，圆弧的半径为5mm；所述前缘加强件2的两个侧边均有折边，该折边位于同一表面，并均向前缘加强件2的内侧弯折，构成了前缘加强件固定面3；前缘加强件2通过前缘加强件固定面3与小前梁4固定连接。上述尾翼前缘在遭受鸟体撞击后，通过前缘内置前缘加强件2分割了鸟体，变正面撞击为斜撞击，合理的分散了鸟体撞击的能量，有效提高了结构抗鸟撞性能。但是该结构依然存在重量较重和加工维修复杂的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的结构重量较重和加工维修复杂的不足，本发明提出了一种有单斜板的抗鸟撞飞机尾翼前缘。

本发明包括尾翼前缘蒙皮、肋、前梁腹板和前梁缘条，所述多个肋沿展向固定在前梁腹板前缘一侧的表面，并垂直于该前梁腹板；其特征在于，还包括单斜板；其中：各肋之间的间距为200～300mm。所述单斜板固定在各肋的上斜边的折边上，并使该单斜板的表面与所述前梁腹板表面之间形成50～60°的夹角α；所述肋直边的折边通过铆钉固定在前梁腹板的表面。尾翼前缘蒙皮包覆并固定在所述单斜板和前梁缘条的表面。

所述前梁腹板展向长度与所述尾翼的展长相同。在该前梁腹板的两个长边的表面分别固定有前梁缘条，并使所述前梁缘条与前梁腹板表面之间的角度符合尾翼的气动外形。

所述单斜板为矩形的钣金件，其展向长度与尾翼的展长相同。该单斜板的两个长边处均有折边，分别用于与前梁缘条和尾翼前缘蒙皮铆接。该单斜板的厚度为2.5mm，单斜板的宽度与所述肋上斜边的长度相同。

所述肋呈三角形。该肋的三个边分别为上斜边、下斜边和直边。所述上斜边与所述直边的夹角为50～60°，下斜边与所述直边的夹角须满足尾翼前梁的气动外形。所述肋的直边上和上斜边上均有用于铆接前梁腹板和单斜板的折边。

本发明在原理上充分考虑了申请号为201110291295.9的发明专利申请中提出的疏导鸟体能量的思想，进行了相应的改进设计。

本发明能够改善飞机尾翼抗鸟撞性能，所采用的单斜板为一倾斜的平板，当鸟体撞击到尾翼前缘时，单斜板通过变形吸收鸟体的动能，同时通过自身的倾斜角度改变鸟体的运动轨迹，分割鸟体，变正面撞击为斜撞击，合理的分散了鸟体撞击的能量。较薄的前缘蒙皮通过变形失效吸收了鸟体被分割后部分的能量，而单斜板支撑则保证了尾翼前缘内部结构的安全，使得鸟体无法直接撞击至前梁腹板上，从而保护尾翼前缘前梁腹板结构不受撞击造成破坏。

本发明中的单斜板与肋通过铆钉连接，肋起到对单斜板的支撑作用，提高了单斜板的刚度。

本发明充分考虑了鸟撞问题的特点，即鸟体在撞击过程中表现出流体力学行为，通过单斜板支撑结构件吸收部分能量并改变鸟体运动轨迹，被分离的部分鸟体携带较大能量飞离尾翼前缘，减少了尾翼吸收的能量，从而合理的释放了鸟体撞击的能量，保证了尾翼前缘内部结构的安全。

与现有技术相比，本发明的突出特点在于：

1.结构设计思路由原来的单一吸能改为变形吸能和疏导耗能结合，撞击初期单斜板通过变形吸收部分鸟体能量，同时变形后的形状和位置可以在更大的范围保护前梁腹板，撞击中期鸟体沿着单斜板倾斜的方向运动，撞击后期鸟体被单斜板疏导至结构外的区域，蒙皮和单斜板产生变形，但是前梁腹板完好无损；

2.由于单斜板改变了鸟体的运动轨迹，使得鸟体大部分的能量并未直接作用在尾翼前缘其他内部结构，从而很好的保护了除前梁腹板至蒙皮最前缘的其他机构的安全性；图3为鸟撞数值模拟示意图。图中鸟体为长径比为2的两端球形的圆柱体，其数值建模方法为光滑粒子流体动力学，鸟体质量为3.6kg，撞击速度为180m/s。

图7为单斜板对鸟体的分割过程。图7(a)为撞击开始前鸟体的状态。图7(b)为撞击开始1.5ms后鸟体的状态。可以看出，在撞击开始后，大部分鸟体被单斜板阻挡，鸟体被切割，运动轨迹开始发生改变。图7(c)为撞击开始7ms后，鸟体的状态。可以看出，鸟体被单斜板切割，大部分鸟体沿着单斜板和尾翼前缘蒙皮滑出，小部分鸟体也由于单斜板的阻挡作用飞离尾翼前缘区域。

图8为撞击开始前单斜板6和前缘蒙皮5的状态。

图9为撞击开始1.5ms后单斜板6和前缘蒙皮5的状态。可以看出，单斜板通过变形吸收鸟体动能，变形后的形状可以更大范围的保护前梁腹板结构。同时，蒙皮跟随单斜板一起变形，共同抵御鸟体的冲击。

图10为撞击开始7ms后单斜板6和前缘蒙皮5的状态。可以看出，单斜板和蒙皮均发生较大变形，但并未发生穿透现象。同时鸟体在单斜板和蒙皮的作用下，运动轨迹发生改变，鸟体的能量因此被成功疏导。

3.本发明中单斜板与蒙皮和梁缘条连接，可以很好的利用变形后的蒙皮和单斜板一起对鸟体的运动轨迹进行疏导，从而保护前梁腹板；

4.本发明单斜板加强结构可以改变单斜板厚度、角度、肋的个数来改变结构的抗鸟撞性能，从而适应不同的抗鸟撞要求；

5.与申请号为201110291295.9的发明专利中的三角板加强结构相比，本发明的单斜板加强结构在抗鸟撞性能基本相当的前提下，加强结构的重量减少了一半，前缘结构整体减重10％以上；同时机械加工和维修更为方便，减少了铆钉的用量，制作成本低。

6.本发明能够使用于机翼前缘以及飞机上其他可能遭受飞鸟撞击的梁缘结构。

本发明中，在尾翼上增加的单斜板加强结构安装在尾翼前缘内部，不会对气动性能造成影响，并且所确定的肋的间距为200～300mm，以兼顾结构重量与结构刚度。本发明制作简单、成本低、减重明显，适用于尾翼、机翼前缘以及飞机上其他可能遭受飞鸟撞击的梁缘部位。

附图说明

图1为现有技术中抗鸟撞飞机平尾前缘的结构示意图；

图2为现有技术中鸟撞数值模拟结果变形破坏图；

图3为本发明的展向截面的结构示意图；

图4为图3去除前缘蒙皮后的示意图，其中图4a是展向截面的结构示意图，图4b是图4a的左视图；

图5为单斜板的结构示意图；

图6为肋几何形状；

图7为单斜板加强结构对鸟体分割过程示意图，其中(a)为撞击开始前的鸟体状态，(b)为撞击开始1.5ms后的鸟体状态，(c)为撞击开始7ms后的鸟体状态；

图8为撞击开始前单斜板和前缘蒙皮示意图；

图9为撞击开始1.5ms后单斜板和前缘蒙皮示意图；

图10为撞击开始7ms后单斜板和前缘蒙皮示意图。图中：

1.尾翼前缘蒙皮；2.前缘加强件；3.前缘加强件固定面；4.小前梁；6.单斜板；7.肋；8.前梁缘条；9.前梁腹板。

具体实施方式

本实施例是用于某型机的抗鸟撞飞机尾翼前缘，包括尾翼前缘蒙皮1、单斜板6、多个肋7、前梁腹板9和两个前梁缘条8，其中：

所述多个肋7沿展向固定在前梁腹板9前缘一侧的表面，并垂直于该前梁腹板9；各肋之间的间距为200～300mm，以兼顾结构重量与结构刚度。所述单斜板6固定在各肋的上斜边的折边上，并使该单斜板的表面与所述前梁腹板表面之间形成50～60°的夹角α；所述肋直边的折边通过铆钉固定在前梁腹板9的表面。尾翼前缘蒙皮1包覆并固定在所述单斜板6和前梁缘条的表面。

所述前梁腹板9采用现有技术，其展向长度与所述尾翼的展长相同。在该前梁腹板的两个长边的表面分别固定有前梁缘条8，并使所述前梁缘条与前梁腹板表面之间的角度符合尾翼的气动外形。

所述单斜板6为矩形的钣金件，其展向长度与尾翼的展长相同。该单斜板的两个长边处均有折边，分别用于与前梁缘条8和尾翼前缘蒙皮1铆接。该单斜板的厚度为2.5mm，单斜板的宽度与所述肋7上斜边的长度相同。

所述肋7呈三角形。该肋的三个边分别为上斜边、下斜边和直边。所述上斜边与所述直边的夹角为50～60°，下斜边与所述直边的夹角须满足尾翼前梁的气动外形。所述肋的直边上和上斜边上均有用于铆接前梁腹板9和单斜板6的折边。

本实施例中，尾翼前缘的展向长度为990mm，前梁腹板9高为170mm，肋7间距为250mm。前缘蒙皮5厚度为2mm，单斜板加强结构6厚度为2.5mm，肋7厚度为2mm，前梁缘条8与前梁腹板9厚度为2mm。

前缘蒙皮5采用2024-t3铝合金材料，单斜板加强结构6、肋7、前梁腹板9和前梁缘条8均采用7075-t6铝合金材料。