民用飛機機載設備載荷環境

【摘 要】機載設備除了按照特定功能需求設計之外，其設備結構（包括電子元件）還需滿足強度要求，而強度的輸入之一就是飛機的載荷環境。本文全面完整地分析了民用飛機機載設備載荷環境。

【關鍵詞】機載設備;載荷環境

中圖分類號： V241.02文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）19-0098-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.045

1 載荷環境簡介

本文所說的結構不僅包括設備的主體結構，還包括電子元件在內的微觀結構。結構和功能是所有機載設備研制的兩個重要維度，結構是功能的基礎，保證結構的完整性才能保證功能的可靠性，這就需要設備結構滿足飛機全部的載荷環境。載荷環境就是飛機加速度、變形、振動、沖擊等機械環境。

2 機載設備載荷分類

機載設備載荷環境按照載荷類別分類，包括飛機加速度載荷、壓力載荷、機體變形載荷（強迫位移載荷）、熱載荷、氣動載荷、振動載荷、沖擊載荷。

2.1 飛機加速度載荷

飛機加速、剎車、偏航、俯仰、滾轉、著陸或遭遇突風等情況會產生加速度，一般離飛機重心越遠，加速度越大。飛機加速度值受飛機重量分布、剛度分布和使用條件定義等因素影響。在加速度載荷中有一種特殊的載荷工況是應急著陸載荷，即起落架不能正常放下的故障工況，此時飛機可能有所損壞，但與乘員安全有關的設備必須滿足CCAR25.561條款的要求，為乘員提供安全保護，避免乘員在輕度撞損應急著陸過程中受到嚴重傷害。應急著陸的載荷為：向上3.0g，向下6.0g，側向3.0g（座椅及其連接件4g），向前9.0g，向后1.5g。

2.2 壓力載荷

飛機增壓系統元件必須進行最大正常工作壓力2倍的破壞壓力試驗和1.5倍的驗證壓力試驗。氣動系統元件必須分別進行最大正常工作壓力3倍的破壞壓力試驗和1.5倍的驗證壓力試驗。保載時間和試驗判據見表1。

2.3 氣動載荷

在高速流場中的機載設備，在計算載荷時，氣動載荷往往是最嚴酷的載荷之一，例如沖壓空氣風門、天線等。設備的氣動載荷可運用CFD（計算流體動力學）方法，根據設備幾何特征和所在位置流場的速度、密度等來計算。

2.4 熱載荷

在系統設計中需考慮內外熱載荷的影響，熱載荷的具體影響表現為：

a）溫度影響材料抗拉強度、屈服強度，影響強度安全裕度。

b）溫度影響材料彈性模量，影響振動響應。

c）溫度產生熱脹冷縮，導致設備或管路變形，影響內應力和對外界面載荷。

d）溫度梯度產生應力。

e）溫度變化產生疲勞載荷。

飛機熱載荷來源于太陽輻射、發動機、APU（輔助動力裝置）、防冰管路、液壓電動泵、空氣管理系統高溫管路、油濾等。

2.5 機體變形載荷（強迫位移載荷）

飛機機身、機翼在慣性力、氣動力等作用下發生變形，對管路產生強迫位移，該強迫位移會使管路發生大變形，這是管路在強度設計中最嚴酷的工況之一。民用飛機的燃油、液壓、氣源等管路系統在全機的布置范圍廣、跨度大，飛機的機身、機翼等主結構發生變形會對管路產生顯著的強迫位移，對管路產生較大的應力應變。對于剛度較大的硬管，機體變形載荷往往是最嚴酷的。

2.6 振動載荷

振動載荷包括功能振動、耐久振動、高量值短時振動和風車振動載荷，前三者見RTCA/DO-160G《機載設備環境條件和試驗大綱》。風車振動載荷針對持續發動機不平衡這一特定風險，發動機葉片斷離之后，葉片在風力作用下持續轉動，因重量分布不平衡而產生較長時間低頻振動。風車振動載荷適用于如果功能喪失會影響飛機返場的關鍵系統設備。風車載荷量值由發動機不平衡狀態下的振動譜得到。

2.7 沖擊載荷

沖擊載荷包括功能沖擊載荷、安全墜撞沖擊載荷、鳥撞沖擊載荷。對于一些在應急著陸情況下，設備的破損和脫落可能會對人員構成危險，或對應急撤離設施造成破壞的設備，除進行功能沖擊試驗外，還應進行墜撞安全試驗。鳥撞沖擊載荷適用于鳥撞影響區域且如果功能喪失會影響飛機返場的關鍵系統設備。

2.8 FBO（Fan Blade Out發動機葉片飛出）載荷

FBO載荷是指發動機風扇葉片因鳥撞、冰雹或者是疲勞等原因發生斷裂而脫落所引起的瞬態沖擊載荷。該載荷通過動響應分析得到。在FBO故障狀態下，影響飛機返場的關鍵系統設備需能承受傳遞至其安裝位置處的FBO載荷，不發生破壞。

2.9 其他載荷

對于每個系統設備，還有各自特有的載荷，包括人員操作載荷、操縱系統作動器載荷、濫用載荷、設備之間固定連接的界面載荷、部件間的摩擦載荷、故障狀態產生的卡阻載荷等。

3 強度判據

3.1 靜強度分析判據

在限制載荷下無有害永久變形，即在限制載荷情況下，結構分析部位屈服強度安全裕度大于0。在極限載荷下無破壞，即在極限載荷情況，結構分析部位的極限強度安全裕度大于0。

3.2 振動沖擊試驗判據

對于需要考慮振動、沖擊（除墜撞沖擊之外）載荷的設備，要求設備在振動、沖擊載荷環境下功能正常，連接件不松脫，連接面不破壞。

3.3 應急著陸載荷試驗的判據

對于需符合CCAR25.561條款的設備，在應急著陸載荷下（包括墜撞持續載荷和墜撞沖擊載荷），連接件不松脫，連接面不破壞。對于應急著陸撤離設施（例如客艙應急著陸照明燈），在應急著陸載荷下須功能正常。

4 安全系數

當以限制載荷作為結構的外載荷時，必須采用安全系數l.5;當用極限載荷來規定受載情況時，不必采用安全系數。另外，在設備的結構強度設計中還需考慮接頭系數、鑄件系數等特殊系數。

5 結語

機載設備驗證某一項載荷要求的符合性較容易，而確保完整性較難。本文完整地歸納了民用飛機機載設備所有的載荷環境。在機載設備的設計研發中，應根據具體設備的重要等級分別選擇合適的符合性驗證方法。

【參考文獻】

[1]CCAR-25-R4，中國民用航空規章-運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空總局，2011.

[2]DO-160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].RTCA，2010.

[3]樊文博.飛機機載設備振動試驗基本程序[J].科技視界， 2015.26.07.