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作者简介:

马岩,女,本科,高级工程师。主要研究方向:飞机结构设计。E-mail:ma.yan@sacc.com.cn

通讯作者:

马岩,E-mail:ma.yan@sacc.com.cn

中图分类号:V223.9

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.03.008

参考文献 1
姚雄华等.运输类飞机舱门设计[M].北京:国防工业出版社,2017.3:97.
参考文献 2
CCAR-25R4.中国民用航空规章:第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局,2016.
参考文献 3
刘建邦,王勇.运输类飞机货舱门适航要求案例分析[J].航空维修与工程,2015.3:90-92.
参考文献 4
王哲.大型飞机货舱大门结构和机构设计要求研究[J].航空科学技术,2008(1):32-35.
参考文献 5
马岩,李忠霖.波音B777飞机舱门通风口打开延迟时间计算方法[J].飞机设计,2015.12:42-45.
参考文献 6
梁东明,丛家勇.民用飞机舱门通风口机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:82-87.
参考文献 7
吕国成,郭晓庆.新型增压预防机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:57-61.
参考文献 8
FAA.14 CFR Part 25 airworthiness standards:transport category airplanes.[R].[S.l:s.n.],1964.
参考文献 9
Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplane[M].[S.l.]:EASA,2013.
参考文献 10
张秀丽.间歇运动机构在飞机舱门中的应用[C].天津:2015中国(天津)机电装备创新设计与产业发展高峰论坛,2015.
目录contents

    摘要

    为满足舱门的功能要求和适航条例对舱门的安全性要求,民用飞机舱门设计有多种类型的机构,机构设计的优劣直接关系到舱门性能的优劣和适航取证的成功与否。介绍了民用飞机舱门机构的组成,基于最新适航条例要求,分析了民机舱门闩、锁、增压预防安全机构的设计要求和设计要点,提炼出舱门闩、锁、增压预防安全机构的监控逻辑要求。针对舱门安全机构监控逻辑要求,以成熟机型为例,给出了一种舱门闩、锁、增压预防机构的监控逻辑分析方法,分析了在传动机构单一失效情况下,舱门闩、锁、增压预防机构的状态及安全监控逻辑的符合性,并在舱门安全机构布局、机构传动关系、机构运动时序等方面给出了设计建议,为其他机型舱门安全机构设计提供参考。

    Abstract

    In order to meet the functional requirements and the safety requirements of airworthiness regulations, there are many types of mechanisms in the cabin door of civil aircraft. The quality of mechanism design is directly related to the performance of door. This paper introduces the composition of the cabin door mechanism. Based on the requirements of the latest airworthiness regulations, the design requirements and key point of security mechanism design were analyzed, and the monitoring logic requirements of latch, lock and pressurization prevent mechanism were extracted. According to the design requirements of security mechanism,taking mature aircraft as an example,the monitoring logic analysis method of door security mechanism is given.The state of the door latch, lock and pressurization prevention mechanism and the compliance of the safety monitoring logic were analyzed in the case of single failure of the transmission mechanism, and some suggestions on the design of mechanism motion sequence were given, which can provide a reference for the design of other types of cabin door safety mechanisms.

    关键词

    舱门安全机构监控适航条例

  • 0 引言

  • 民用飞机舱门机构可以分为以下三类:

  • 1)操纵机构[1]

  • 完成舱门的开启提升、关闭下降等操纵功能。如提升机构、打开机构等。

  • 2)安全机构

  • 从以往飞机服役情况来看,为了避免舱门在飞行过程中意外打开造成的事故,有必要提供多种保护措施来防止机构失效、故障和人为失误。CCAR25.783[2]条款要求安全功能需要由四部分组成:a)闩功能;b)锁功能;c)增压预防功能;d)指示功能。

  • 3)应急机构

  • 在舱门应急打开时起作用的各类机构。如应急滑梯释放机构等。

  • 1 安全机构设计要求

  • 为了提高飞机整体的安全性,在最新版适航条例中,局方对舱门的闩、锁、增压预防等安全机构的设计提出了更高的要求。

  • 为了便于理解,避免产生误解,本文中对适航条例所述的“锁闩”,统一简称为“闩”,对于“锁定措施”,统一简称为“锁”[3]。针对舱门的安全机构,最新适航条例中有如下要求:

  • 1)CCAR25.783(c)必须有措施防止任何承压的门在未完全关闭、闭锁和锁定的情况下将飞机增压到不安全的水平。CCAR25.783(c)(1)必须设计成在发生任何单个失效之后,或者在发生未表明是极不可能的失效组合之后仍然具有功能。

  • 上述增压预防措施需要监控舱门的上闩、上锁状态以及舱门完全关闭位置,避免飞机在舱门未完全关闭状态下增压,造成舱门空中打开的灾难性后果[4]。机械式增压预防措施[5-7]通常选用增压预防门机构,在舱门没有关闭,上闩和上锁状态下,增压预防门应处于打开状态,此状态下飞机无法增压至不安全水平。

  • 2)CCAR 25.783(d)(4)每一次打开时首先作内向运动并且未锁闩可能导致危险的门必须具有锁定措施,能够防止锁闩脱离。锁定措施必须确保充分闩上,能够防止即使发生锁闩机构的单一失效门也不会打开。CCAR 25.783(d)(5)如果锁闩和锁闩机构没有位于锁闩位置,则锁不得位于锁定位置。

  • 依据上述说明,需设计锁机构作为锁定措施,锁定闩机构的位置。未解锁时舱门无法解闩,在未完全上闩时,锁机构不能上锁。锁机构是用于监控闩机构的位置。

  • 3)CCAR 25.783(d)(1)必须有措施锁闩每一扇门。

  • 飞机在整个飞行包线内飞行和非增压飞行时,闩机构在上闩位,可以阻止舱门因为振动、结构变形、正负压力载荷、正负重力载荷、气动载荷等原因打开。闩机构可以阻止舱门有打开的趋势,在解除闩机构对舱门的锁定后,舱门才可以进行下一步打开运动。闩机构是用于监控舱门的关闭位置。

  • 以上条款在FAR25.783[8]和CS25.783[9]中有同样的规定。

  • 2 安全机构监控逻辑要求

  • 基于最新适航要求,可以定义舱门安全机构的运动逻辑为:如果舱门没有处于完全关闭位置,则舱门的闩机构不能上闩;如果闩机构没到达完全上闩位,则锁机构不能上锁;如果锁机构没有处于完全上锁位置,则增压预防门机构不能关闭;从而实现闩机构监控舱门的完全关闭位置,锁机构监控闩机构的位置,增压预防机构监控闩机构、锁机构和完全关闭位置的监控逻辑。

  • 在设计时,可以通过机构间的运动时序控制,实现机构间的监控逻辑要求,具体说明为:关门时,先将舱门操作至关闭位,再依次完成舱门的上闩、上锁、关闭增压预防门步骤。上述机构运动顺序控制[10]可以通过凸轮、过中心四杆等时序控制机构实现。舱门安全机构监控逻辑及运动时序关系如图1所示。

  • 图1 舱门安全机构监控逻辑图

  • 3 安全机构监控逻辑分析

  • 对舱门安全机构进行运动时序设计,虽可以在总体上实现机构间的监控关系,但按适航条款要求,还需进一步对机构进行分析,确保因机构失效等原因导致舱门未到达上闩、上锁和完全关闭位时,安全机构仍能保持功能,或者失效状态可以被有效的发现。

  • 某机型飞机货舱门的安全机构如图2所示,手柄与锁轴固定连接,锁轴通过闩传动机构带动闩轴运动,闩传动机构中包含凸轮机构,用于控制闩机构的运动时序。锁轴同时通过凸轮机构驱动增压预防机构运动,并实现其运动时序控制。在闩轴两端各布置有一套闩机构,在锁轴与闩轴上分布有两套锁机构。该舱门已经成功取得FAR和EASA的适航证,其安全机构满足最新适航要求。下面将以此舱门为例,对安全机构的监控逻辑分析过程进行简要说明。

  • 本文仅以关门过程中舱门机构各位置发生单一失效为例,分析安全机构的正常功能是否可以实现或失效能否被及时发现。本例中,闩机构、锁机构都采用了双通路设计,当其中一个机构件失效时,另一组机构还可以保证功能要求。因此,本例将分析的重点放在了传动机构失效上,机构可能的失效位置如图2所示,分别分析如下:

  • 锁轴1处位置断裂或者闩传动机构中元件失效,驱动手柄关闭舱门,锁轴无法带动闩传动机构转动,闩轴无法转动,闩轴锁保持在打开位置。因存在“闩没有上闩时,锁无法上锁”的设计,如图3所示,闩没有到位时,闩轴锁处于开锁位置,占据锁轴锁的上锁运动路径,锁轴锁将被卡滞,手柄无法进一步关闭,增压预防门也无法关闭。上述设计可以实现锁机构监控闩机构、增压预防机构监控舱门“上闩、上锁、完全关闭”状态的功能。

  • 锁轴2、3、4、5或6处位置断裂,等同于1处位置断裂的情况。

  • 图2 某机型货舱门安全机构

  • 图3 某机型货舱门锁机构

  • 锁轴7处位置断裂时,手柄可以独自关闭,但增压预防门、视觉指示机构、传感器都无法到位,因此可以实现锁机构监控闩机构、增压预防机构监控舱门“上闩、上锁、完全关闭”状态的功能。

  • 通过上述分析可以发现,闩传动机构及手柄分布在传动轴的两端,是一个很好的设计方案。增压预防门由锁轴驱动,且在其与手柄间至少布置一套锁机构,可以实现由于机构失效等导致锁没有上锁时,增压预防机构无法关闭的功能,从而实现增压预防机构对锁机构的监控。本例中,如果将增压预防机构布置于手柄的右侧,在出现7处断裂时,闩机构、锁机构不能正常上闩、上锁,但增压预防机构却仍能正常关闭,这种设计将无法起到监控舱门“上闩、上锁、完全关闭”状态的作用,就不是合理的设计。

  • 下面继续分析闩机构的单一失效影响。闩轴8处断裂,左侧闩机构将无法上闩,闩机构采用了双通路设计,右侧闩将可以保证舱门的上闩状态,锁机构也将可以实现对闩机构的位置监控。

  • 闩轴9、10处断裂,左侧闩机构将无法上闩,并在闩右侧的安全弹簧的作用下,保持在解闩位,其情况与8相同。

  • 闩轴11处断裂,驱动手柄关闭舱门,锁轴带动闩传动机构运动,闩轴右半段无法转动,闩轴锁保持在打开状态,因存在图3所示的“闩没有上闩时,锁无法上锁”的设计,锁轴锁将被卡滞,手柄无法进一步关闭,增压预防门无法关闭,从而可以实现锁机构监控闩机构位置、增压预防机构监控舱门“上闩、上锁、完全关闭”状态的功能。

  • 闩轴12处断裂,情况与11相同。

  • 闩轴13、14或15处断裂,右侧闩机构将无法上闩,但闩机构采用了双通路设计,左侧闩机构将可以保证舱门的上闩状态,锁机构也可以实现对闩机构的位置监控。

  • 基于上述分析,当舱门两个闩机构都无法上闩时,锁机构和增压预防机构均无法正常到位,可以起到监控作用。当锁机构没有到达上锁位时,增压预防机构也无法正常到位,可以起到监控锁机构的作用。因此该舱门的安全机构满足最新适航条例中提出的监控功能要求。

  • 在设计舱门安全机构时,首先要基于功能要求选择机构形式,保证机构满足运动轨迹、运动载荷以及运动时序等要求,之后可以依据上述逻辑分析方法对机构进行分析,确定各机构间的布局关系以及安全弹簧、止动机构等的位置,判定是否需要添加双通路设计等,直至满足机构的监控逻辑要求。

  • 4 结论

  • 针对最新适航条例对舱门安全机构提出的更高要求,本文提供了一种舱门安全机构监控逻辑分析方法,并得出以下结论:

  • (1)机构布局时要充分考虑其安全监控逻辑关系。

  • (2)机构的运动时序只是监控逻辑关系的表现形式,机构设计时不仅仅要满足运动时序要求。

  • (3)增压预防机构用于监控舱门的“上闩、上锁、完全关闭”状态,设计其由锁机构驱动为更直接、更有效的方案。

  • (4)闩传动机构和手柄机构分布于传动轴的两端,可以更有效实现锁机构对闩机构的监控。

  • (5)增压预防机构和手柄机构之间,布置至少一套锁机构,更有利于实现增压预防机构对锁机构的监控。

  • 本文提供的分析方法可以应用于各类舱门安全机构设计中,为其他舱门的安全机构设计提供了参考。

  • 参考文献

    • [1] 姚雄华等.运输类飞机舱门设计[M].北京:国防工业出版社,2017.3:97.

    • [2] CCAR-25R4.中国民用航空规章:第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局,2016.

    • [3] 刘建邦,王勇.运输类飞机货舱门适航要求案例分析[J].航空维修与工程,2015.3:90-92.

    • [4] 王哲.大型飞机货舱大门结构和机构设计要求研究[J].航空科学技术,2008(1):32-35.

    • [5] 马岩,李忠霖.波音B777飞机舱门通风口打开延迟时间计算方法[J].飞机设计,2015.12:42-45.

    • [6] 梁东明,丛家勇.民用飞机舱门通风口机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:82-87.

    • [7] 吕国成,郭晓庆.新型增压预防机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:57-61.

    • [8] FAA.14 CFR Part 25 airworthiness standards:transport category airplanes.[R].[S.l:s.n.],1964.

    • [9] Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplane[M].[S.l.]:EASA,2013.

    • [10] 张秀丽.间歇运动机构在飞机舱门中的应用[C].天津:2015中国(天津)机电装备创新设计与产业发展高峰论坛,2015.

  • 参考文献

    • [1] 姚雄华等.运输类飞机舱门设计[M].北京:国防工业出版社,2017.3:97.

    • [2] CCAR-25R4.中国民用航空规章:第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局,2016.

    • [3] 刘建邦,王勇.运输类飞机货舱门适航要求案例分析[J].航空维修与工程,2015.3:90-92.

    • [4] 王哲.大型飞机货舱大门结构和机构设计要求研究[J].航空科学技术,2008(1):32-35.

    • [5] 马岩,李忠霖.波音B777飞机舱门通风口打开延迟时间计算方法[J].飞机设计,2015.12:42-45.

    • [6] 梁东明,丛家勇.民用飞机舱门通风口机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:82-87.

    • [7] 吕国成,郭晓庆.新型增压预防机构的设计与研究[J].民用飞机设计与研究,2018.1:57-61.

    • [8] FAA.14 CFR Part 25 airworthiness standards:transport category airplanes.[R].[S.l:s.n.],1964.

    • [9] Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplane[M].[S.l.]:EASA,2013.

    • [10] 张秀丽.间歇运动机构在飞机舱门中的应用[C].天津:2015中国(天津)机电装备创新设计与产业发展高峰论坛,2015.

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