影响飞机重量控制的主要因素

[摘要]：本文从结构设计和系统安装设计两方面的重量控制工作着手，分别讲述了在整个设计过程中限制重量增长需要考虑的主要因素。

[关键词]：结构设计；系统安装设计；重量控制

【分类号】：X511

1 引言

随着全球经济的快速发展，航空市场的竞争日趋激烈。为了满足客户需求的多样化，如何降低飞机运营成本和提升整体性能成为很多型号设计初期考虑的主要问题。飞机性能的好坏与成本的多少取决于设计中各个环节结构形式的控制和重量分布的调配，尤其是空机结构重量占有很大的权数，是型号研制成功的关键指标[1]。重量专业必须科学合理地分配各部件重量目标，严格控制系统供应商负责部分的重量增长，在满足结构完整性和装配需求的前提下，不断反馈信息，修正总体布置和目标，局部位置可以选择采用新结构、新材料或者新工艺方法。无论是从概念设计、初步设计还是后期的详细设计，都必须做好重量控制，尽量做到“重量最小化设计”。

2 重量控制的意义

重量控制对飞机项目的各个方面都有重大影响，它影响飞机的构型、性能、设计周期和制造成本，并且直接影响飞机的运营成本[1]。重量是衡量项目成功与否的重要条件之一，超重的飞机甚至会导致整个项目的失败。因此，重量控制的目的就是将设计产品和交付飞机的重量控制在规定的范围内，以便飞机可以达到有效商载指标，并且商载在一定范围内可以调整。

3 结构的重量控制

在结构设计中，不同的设计阶段采用了不同的重量优化形式。为了有效的降低设计成本，在每阶段都需要考虑当前阶段影响重量的主要因素。

3.1 概念设计阶段

此阶段是一架新飞机的设想阶段，在这一阶段要确定飞机的几何尺寸、布局和发动机推力以及飞行任务要求和飞行性能。设计初期是减重最有成效的时期，因为此阶段所做的重大更改对成本和进度的影响最小。通过估算的初步重量、有效功率和所要求的性能等来确定新飞机的几何尺寸和总体布局的基本参数。大量的权衡研究将在此阶段进行，要实现最大程度的减重，但不能盲目追求重量最小，要实现设计概念的重量最优化。

例如影响机翼结构重量优化的因素包括：

a） 梁的数量和位置；

b） 蒙皮的加强方法以及加强件之间的间距；

c） 从操纵面到主结构的集中载荷传递路径；

d） 不同结构件使用的材料类型；

e） 检修门（口盖）的位置；

f） 操纵面的铰链点的数量和位置。

在对某些特殊区域设计时，需要执行一些妨碍重量优化的设计标准。例如，如果想在机翼中携带燃油，那么前梁和后梁的位置就要由燃油体积来决定。所以对上述因素权衡研究时，要兼顾对其它设计要求的影响。

单独从系统或结构方面进行减重设计并不能产生最轻的设计方案。在多数情况下，为了实现整体的最轻化设计，局部设计要服从整体调配而做出设计让步。例如，一个较轻的襟翼驱动方案，由于需要中断载荷传递路径，最终可能会导致结构增重。所以在早期布局中系统与结构的整体设计是重量优化设计过程中的重要环节。

3.2 初步设计阶段

在这一阶段，减重被限制到一些较小的区域，出于设计成本和进度的考虑，通常只对结构界面影响最小的部位进行减重。减重一般考虑以下几个方面：

a） 优化局部结构，改善载荷传递路径，确保载荷传递路径的最优化；

b） 采用较轻的材料和采购件，例如在发动机安装上用钛合金代替钢；

c） 制造工艺方法的选择，如对于非结构检修口盖由钣金件改为玻璃钢蜂窝夹层结构；

d） 设备重新布置，例如由很多导线相连接的两个电子设备，将设备靠近就可以减少管线长度，从而减小重量。

3.3 详细设计阶段

详细设计阶段减重的机会变得越来越少，但仍然存在减重可能，例如：

a） 考虑使用组合零件去除或减少连接。例如将某个零件设计成带有凸缘的结构与另一个零件连接，就可以避免使用额外的角片连接这两个零件，并减少了紧固件的数量；

b） 尽量去除不必要的材料。几乎所有零件都具有一些因制造工艺或加工局限而产生的不能用来传递载荷的材料。例如可以采用专用铣刀加工填角；

c） 采用较轻的系统元件。在设计初期可能采用了较重但相对便宜的元件，但出现超重问题时，就需要重新考虑初始的选择。随着航空领域技术的迅猛发展，我们可能会找到更轻的元件来替代。

3.4 结构设计中的减重考虑

在满足各专业设计要求和制造工艺的前提下，减重需要考虑以下几个方面：

a） 在结构中减少框、肋、长桁和次级结构的数量；

b） 在满足边距要求的前提下减少紧固件孔边距；

c） 保证维护性的同时尽量减少检修口盖的数量（特别是压力区）；

d） 尽可能将两个或多个壁板合并成一个大的壁板；

e） 在满足强度条件下多采用减轻孔设计；

f） 多采用加强窝或加强槽替代加强件（如壁板上，减轻孔周围）；

g） 通过使用倒角、圆角、扇形边缘、钣金壁板的化铣等方法去除多余材料；

h） 尽量少用垫片、密封填料以及气动密封、压力容器密封和油箱密封的密封剂；

i） 考虑表面处理要求，尽可能使用光面的结构代替喷漆结构；

j） 多种可选的加工方式下，加工前要进行权衡研究（例如：选机加或钣金）；

k） 如果必须使用密封剂，采用重量轻的产品；

l） 使用较小的弯曲半径；

m） 对使用的公差仔细研究，尽可能减小元件的公差。

4 系统安装的重量控制