民用飞机发动机吊挂应急断离设计研究_陈海欢.pdf

第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING民用飞机发动机吊挂应急断离设计研究陈海欢，李泽江，陈少凯（上海飞机设计研究院 飞机结构强度工程技术所，上海 201210）摘要：发动机吊挂应急断离是民用飞机设计的关键核心技术之一，国外相关技术难以获取，国内以理论研究和提出主要思路为主，与工程实现存在差距。基于此，从适航标准入手，研究吊挂、保险销和机翼三者的应急断离设计载荷大小的关系，通过场景分析，研究界面结构强度计算的载荷确定方法。结果表明：吊挂应急断离设计仅需单独考虑发动机主载荷向上或主载荷向后工况，合理给定吊挂、保险销和机翼结构三者的应急断离设计载荷大小关系可有效降低结构重量；机翼/吊挂界面载荷方向则必须结合结构细节做具体的应急断离场景分析。关键词：吊挂；应急断离；保险销；载荷；场景分析；适航中图分类号：V224.2 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.13Study on engine pylon emergency separation design of civil aircraftCHEN Haihuan，LI Zejiang，CHEN Shaokai（Aircraft Stucture&Stress Division，Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）Abstract：Engine pylon emergency separation is one of the key technologies in civil aircraft design，which is difficult to obtain from abroad.Domestic researches are mainly about theories and thoughts，which cannot be applied on engineering.In this paper，the research on relationship of design loads among pylon，fuse pin and wingbox is carried out based on airworthiness standards.Load determination methods for strength calculation of interface structures is proposed through scenario analysis.The results show that the engine pylon emergency separation design only needs to consider predominantly upward loads and aft loads separately.Giving reasonable relationship of design loads among pylon，fuse pin and wingbox can reduce the weight of structures.Load directions of components connecting the pylon to the wing should be determined through scenario analysis considering structural details.Key words：pylon；emergency separation；fuse pin；load；scenario analysis；airworthiness文章编号：1674-8190（2023）01-114-07收稿日期：20220128；修回日期：20220622通信作者：陈海欢,chenhaihuancomac.cc引用格式：陈海欢,李泽江,陈少凯.民用飞机发动机吊挂应急断离设计研究J.航空工程进展,2023,14(1):114-120.CHEN Haihuan,LI Zejiang,CHEN Shaokai.Study on engine pylon emergency separation design of civil aircraftJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):114-120.(in Chinese)第 1 期陈海欢等：民用飞机发动机吊挂应急断离设计研究0引 言飞机燃油箱破坏导致燃油溢出，进而引起火灾甚至爆炸，这是造成重大空难事故的重要原因之一。现今主流客机多采用翼吊布局，民航事故分析表明，发动机是威胁机翼燃油箱安全的主要源头之一。在民用飞机设计中，作为发动机与机体间的唯一传力路径，吊挂是飞机最重要的承力结构之一。当飞机因主起落架故障应急迫降时，为降低事故危险程度，通常通过将发动机与机体分离来避免油箱结构破裂和燃油泄漏。2002年印尼航空公司 B737客机、2009年全美航空公司 A320 客机发生水面迫降事故，这两次事故均因为发动机/吊挂与机翼成功分离而未造成重大人员伤亡1-2，可见吊挂应急断离技术对航空安全的重要性，同时也表明国外民用飞机主制造商已基本掌握了该技术。通过美国和欧盟相关适航标准修订和紧急通告也能够看出该技术的发展过程。例如，1992 年美国联邦航空局（FAA）根据B747-200 飞机 1862 航班事故调查3，发布了关于检查 B747系列飞机机翼吊挂接头及保险销性能的紧急通告，波音公司据此对接头结构和保险销作出了相应更改4。国外有关吊挂应急断离技术的研究资料难以获取，可获取的资料仅有事故调查报告3，5-6和发动机吊挂结构优化技术7。我国大型客机国家重大专项立项后，国内研究人员通过分析相关机型的结构传力路径和相应零部件技术要求指标等对民用飞机吊挂的结构形式、吊挂载荷、保险销设计、应急断离方案等进行了深入探索。刘亚奇等8对比分析了三种翼下吊挂结构，论述了吊挂与机翼连接接头形式、选材及其设计关键细节；严飞等9从传力路径和安装方式入手，对比分析了两种翼下吊挂的优缺点；万雨和等10分析了静定吊挂和超静定吊挂两种结构形式的传力，并利用有限元对比分析了两者在规定载荷工况下吊挂与机翼连接界面的内力；章仕彪11聚焦吊挂部段静强度设计载荷，分别定义了适用于尾吊和翼吊飞机的初步设计载荷，并阐述了 3种故障载荷的计算要求及适航符合性思路；范耀宇等12介绍了吊挂应急断离设计的适航条款要求，通过对比分析波音公司和麦道公司的两种应急断离方案，总结出应急断离的设计思想和实现路径，并就国产大飞机吊挂应急断离点设置和保险销选材等提出建议；李泽江等13-14论述了民用飞机应急断离结构适航要求，提出了应急断离典型结构的设计方法与适航验证流程，给出应急断离销失效判据与断离时刻预测方法，并通过试验进行验证；许江波15以超静定吊挂为研究对象，基于应急着陆参数分析和应急着陆动力学分析模型，通过计算分析 3 个典型工况下保险销接触力响应和保险销失效状态，筛选重点工况，并根据仿真结果分析得到影响吊挂断离的主要因素；唐维16利用有限元仿真计算了吊挂与机翼连接界面载荷，并通过吊挂静力试验结果进行验证；郭瀚泽17、张宏杰18和谈志晶等19通过试验与仿真研究了吊挂保险销剪切强度及其破坏模式，对比分析了安装间隙和径厚比等参数对保险销剪切破坏过程的影响；闫明鹏20和马世伟等21分别基于 PAM-CRASH 对吊挂与机翼连接各接头应急断离次序进行仿真分析，通过对比各部件的运动速度，评估了吊挂抛离轨迹。上述研究主要包括吊挂设计载荷、吊挂与机翼连接设计与内力计算、应急断离保险销设计及其破坏载荷计算等。部分研究虽与适航相关，但关注点或是吊挂载荷11，或是应急断离设计思想、保险销设计及其破坏载荷计算与验证12-13，或是 应 急 断 离 销 适 航 验 证 流 程 与 符 合 性 实 施 方法14，而对于吊挂应急断离详细设计工况、吊挂与机翼各界面结构断离场景、各界面结构应急断离设计载荷等方面的研究，国内外却鲜有报道。本文通过对适航标准及其可接受符合性方法的分析，研究应急断离载荷工况，确定发动机吊挂、保险销和机翼油箱结构三者应急断离设计载荷大小关系，并通过场景分析，明确机翼油箱结构强度计算的载荷确定方法。1应急断离设计要求国内运输类飞机适航标准未明确要求考虑发动机应急断离，但对机翼燃油箱安全有具体要求，特别是对翼吊布局飞机，相关要求包含发动机触地对机翼燃油箱安全造成的威胁。在适航标准CCAR25.72122中，条款（b）要求：“客座量（不包括115第 14 卷航空工程进展驾驶员座椅）等于或大于 10座的飞机必须设计成：当有任何一个或几个起落架未放下时，飞机在受操纵情况下在有铺面的跑道上着陆，其结构部件的损坏很不可能导致溢出足够量的燃油构成起火危险。”美国联邦航空局和欧洲航空安全局（EASA）分别发布的大型运输类飞机适航标准及咨询通告对应急着陆过程中发动机/吊挂结构及燃油系 统 的 安 全 性 设 计 均 提 出 了 明 确 要 求。由 于CS25.721 和 FAR25.721 关于发动机吊挂应急断离的描述基本一致，本文仅列出 CS25.721（c）及其可 接 受 符 合 性 方 法 AMC 25.963（d）的 具 体内容23：CS25.721（c）：对于发动机短舱可能与地面碰撞的情况，吊挂或发动机安装系统必须设计成：超载导致的破坏不会引起足以构成着火危险的燃油泄漏量（需分别考虑主载荷向上和向后的情况）。AMC 25.963（d）4d：发动机/吊挂断离（符合CS25.721（c）和 CS25.963（d）（5）。对于发动机短舱可能和地面碰撞的构型，需要考虑超载下的破坏。需考虑主载荷方向向上或主载荷方向向后两种情况下的断离设计：发动机短舱分离或短舱和发动机同时断离。主载荷方向向上和主载荷方向向后两种情况下的载荷是分别分析的。必须证明发动机/吊挂破坏后，发动机/吊 挂 接 头 处 或 靠 近 该 接 头 处 的 油 箱 本 体 不 会破裂。CS25 中可接受符合性方法的 AMC 25.963（d）4c（）内容如下：AMC 25.963（d）4c（）：对于翼吊发动机的飞机，如果发动机安装节、吊挂或吊挂和机翼的连接结构在碰撞或滑行过程中破坏，对燃油箱完整性的后续影响必须评估。不要求做发动机/吊挂断离后的运动轨迹分析。分析以上条款要求，吊挂应急断离设计的基本思想是，通过预先设定结构件的破坏失效路径，达到限制故障传递、保护剩余结构（特别是燃油箱）的目的，从而降低事故影响。根据以上条款要求，发动机应急断离有以下关键点：（1）应急断离可发生在发动机与吊挂界面，也可发生在吊挂与机翼界面之间，即在发生应急断离时，可单独抛离发动机，也可抛离发动机/吊挂；（2）超载工况仅考虑主载荷向上和主载荷向后情况，且应单独考虑；（3）对于发动机吊挂的应急断离设计，需进行从起始断离点开始直至发动机从机翼完全脱离过程的断离顺序分析，之后的抛离运动轨迹无需进行分析；（4）为保护机翼油箱安全，从起始断离点开始直到发动机从机翼完全脱离，整个过程中应保证机翼油箱结构不被破坏。关于断离界面的选取，需要综合传力、温度、装配、适航验证、发动机供应商等影响因素权衡分析，本文主要研究断离界面为机翼与发动机吊挂的情况。2应急断离装置目前，国外大型商用飞机主要采用两种途径实现吊挂应急断离：第一种将连杆、耳片等受力简单的结构件设计为断离构件；第二种在连接接头处设计销轴作为断离构件（保险销）。应急着陆过程 中，断 离 构 件 率 先 断 裂，确 保 发 动 机 与 机 翼分离。由于保险销受力简单、破坏模式可控，且其设