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某轻型飞机舱门设计

发表时间：2021/6/10 来源：《探索科学》2021年4月作者：黄德赞

[导读] 本文针对某轻型运动飞机的舱门设计，介绍了舱门开启方式的选择，结构设计特点，锁机构设计以及悬挂支撑机构的设计特点，给出了支撑结构中气弹簧的参数设计方法。

湖北荆门中国特种飞行器研究所黄德赞 448035

摘要：本文针对某轻型运动飞机的舱门设计，介绍了舱门开启方式的选择，结构设计特点，锁机构设计以及悬挂支撑机构的设计特点，给出了支撑结构中气弹簧的参数设计方法。
关键词：舱门鸥翼门锁机构气弹簧
        1引言
        飞机舱门对飞机安全有着直接影响，舱门是驾驶员和乘员直接操纵部件，也是人员进出的通道，其使用便利性直接影响飞机的使用体验。因此轻型运动飞机的舱门设计应在满足适航条款要求的前提下，根据机体结构特征降低安装调试和维修的难度，减轻结构重量和提高飞机的美观性。
        2舱门开启方式
        轻型运动飞机的舱门开启方式多种多样，主要有平开式、蝶翼门、鸥翼式和上翻门等。平开式舱门是最常见的形式，舱门开启转轴位于舱门前缘，舱门与家用汽车车门类似朝前开启。蝶翼门开启转轴位于舱门前上方，类似汽车A柱的位置，舱门通过铰链朝前上方开启，斜向扬起的舱门就如同蝴蝶展开的翅膀。鸥翼门开启转轴位于舱门顶部，整个舱门朝上开启。类似海鸥飞翔时展开的翅膀。上翻门的舱门布置和上面几种舱门结构完全不同，整个座舱顶部为一个整体的舱门，前缘沿机翼展向布置转轴，舱门向前翻起打开。
        对于采用的上单翼结构的轻型飞机，蝶翼门和上翻门结构都不适用，需要在鸥翼式和前开门中选择合适的开启方式，两种开启方式各有优点，在设计中主要从进出便利度、整体外观等方面进行对比分析。
        针对某型飞机，由于机身高度相对矮小，人员进入需要注意头部空间，鸥翼门和前开式舱门相比，其人员进入通道最大高度要低，如人员从侧方进入，鸥翼门比前开式舱门矮97mm，从前方进入，人员可以避开鸥翼门最低位置，因此比前开式舱门矮22mm。从美观角度而言，鸥翼门更具有优势，因此最终采用鸥翼式舱门。
        3舱门结构设计
        舱门设计主要包括舱门结构设计、门锁机构设计、悬挂支撑设计三个主要部分。
        3.1舱门结构设计
        某型飞机的舱门采用双层蒙皮全复合材料结构，主要由外蒙皮、内蒙皮、舱门玻璃、密封条及维护口盖等组成。
        舱门玻璃为航空有机玻璃，与舱门外蒙皮通过胶接连接，设计舱门玻璃时需要考虑舱内成员特别是飞行员的视野要求。舱门外蒙皮和内蒙皮通过二次胶接连接。在内蒙皮上开有维护口盖，用于舱门锁机构的安装和维护。
        密封条安装在门框上。舱门关闭时边缘挤压密封条实现舱门的密封设计。
        3.2舱门锁机构
        舱门锁机构的设计要考虑功能、安全、安装、以及外观要求，根据舱门的结构特征，门锁机构采用驱动钢索-旋转式门锁机构，由于采用了驱动钢索连接驱动装置和门锁，锁机构的可以根据舱门特点进行灵活布置。
        门锁机构主要包括外把手、内把手、前门锁、后门锁、驱动分离装置以及驱动线缆组成，锁机构的基本连接见图1。

图1 锁机构示意
        外把手安装在舱门的外蒙皮上，内把手安装在舱门内蒙皮上，内把手和外把手既是门锁开启机构，也是舱门开启关闭的拉手。把手采用成品件，具有功能可靠、外形美观等优点。前门锁和后门锁均采用旋转式门锁，锁头安装在舱门内蒙皮上，固定销安装在门框上。
        驱动分离器主要作用是将内、外把手的驱动动作传递到前后门锁上，其作用主要有三点，首先，将来自外把手或内把手的的驱动动作同时传递到前门锁和后门锁，确保两个门锁均可打开。另一个作用是将外把手和内把手的动作分离开来，避免其中一个进行开门动作时另一个驱动器也会跟随进行开门动作，影响操作体验。此外，驱动分离器还具有调节驱动动作灵敏度的功能，可以通过设置空行程的方式，避免门锁对开门动作过度敏感，间接的提升了锁机构的安全性。
        3.3悬挂支撑设计
        对于鸥翼式舱门，除必需的悬挂结构外，还需要设计支撑结构，在舱门开启后将舱门支撑在设计的角度，以便于人员出入。
对于某轻型飞机，舱门尺寸、重量均较小，采用两点式悬挂即可满足要求，铰链采用成品合页，具有便于安装、成本低廉的优点。铰链布置在舱门的顶部，为保证外形美观，铰链安装在舱门蒙皮内侧，与舱门蒙皮、门框采用螺栓连接。
        舱门支撑主要依靠气弹簧实现，气弹簧的安装方式见图2。

图2 舱门支撑结构示意图
图中O为舱门开合旋转轴线，A为气弹簧门框安装支点，AC为舱门关闭时气弹簧的位置和压缩状态，B为气弹簧舱门安装支点，AB为舱门开启状态的气弹簧位置，此时气弹簧为延伸至最大长度。S点尾翼A、O两点的连线上，时气弹簧工作的死点位置。G为舱门重心位置。
舱门开启至某一角度，舱门的受力简图如图3。根据力矩平衡原理，此时气弹簧所需的最小推力为P可由下式得出：

图3 舱门开启时的受力简图

        在舱门关闭状态至气弹簧工作死点位置时，气弹簧的推力使舱门处于自锁状态，当开启角度超过死点位置后，气弹簧推力才起辅助开门的作用，直到舱门开启角度超过气弹簧力矩和重力力矩平衡点，之后舱门便可以在气弹簧的推力作用下自动开启。气弹簧在推力设计时，需要综合考虑整个舱门开启过程中所需的最大推力、平衡点的角度和舱门开启力、关闭力选择。
        4总结
        通过对舱门开启方式的对比分析，结合某飞机的布置，选择了鸥翼门布局，在设计中，通过大量的成品件选用，降低了舱门设计难度，降低了生产成本，通过对气弹簧的优化设计选择合适的舱门开启力和关闭力。提升了操作体验和安全性能。
参考文献：
[1]唐行微民用飞机气弹簧设计分析科技视界 2015（28）:93
[2]温浩王小东方舱舱门的气弹簧选型安装设计专用汽车2010（10）:50-52
[3]王哲飞机舱门设计要求研究航空标准化与质量2015（5）:40-42