A380飞机设计特点分析报告

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1、.A380飞机设计特点分析情报组科技信息档案室.目 录1.引言12.项目进度13.设计特点23.1操纵面23.2结构23.3起落架23.4动力装置33.5座舱33.6系统33.7电子设备43.8几何尺寸44.先进的气动技术54.1选择最佳机身截面54.2机体CFD优化设计54.3精心的机翼设计65.新材料的应用75.1先进新型金属材料仍占主导地位85.2复合材料用于大型结构件的技术突破85.3充分利用GLARE材料的性能优势106先进制造技术对A380的贡献106.1先进复合材料制造技术106.2激光焊接107减轻结构重量的种种努力117.1中央翼盒117.2巨型机腹整流罩117.3客舱地板结

2、构117.4独特的机翼结构11.A380飞机设计特点分析1.引言空中客车A380是迄今世界上正在生产之中的尺寸最大、客/货容量最高的喷气客机。到20XX它投入使用时,将会对21世纪大型民用喷气客机市场产生一个不小的冲击波,进而改变几十年来在大型客机市场一直被波音747垄断的局面。A380飞机由法、德、英和西班牙等国飞机制造商共同研制。其中法国制造驾驶舱、中机身、发动机挂架并负责总装；德国提供前中机身、后机身、垂直安定面和方向舵；英国制造机翼主壁板、前轮和刹车以及襟翼导轨梁；西班牙负责生产机翼/机身整流罩、机腹整流罩和固定水平尾翼、水平尾翼前后缘和翼肋以及机翼翼肋。该机采用了大量的新技术,主要包

3、括：计算机流体力学优化设计、液压增压技术、双飞行控制系统以及双轴供气空调系统等等。该机机身、尾翼和机头采用先进的Glare复合材料层板,不仅有利于改进疲劳性能,还可大大减少蜂窝结构用量。据称A380的运营成本比波音747飞机低20%。2.项目进度1994.6着手工程研究,取名A3XX1996.3设立A3XX管理局大飞机分公司1997在巴黎展示机身剖面全尺寸模型1999.12空客工业管理局批准项目出台2000.12确认A380名称并接受必须的50架订货2004.4对原型机的主要分装配件前、中和后机身,尾锥,尾翼和机翼进行总装20XX初预定首飞2006.3取得适航合格证并交付使用3.设计特点A38

4、0飞机采用达索公司CATIA软件进行设计；结构、材料、系统、起落架设计和气动特性都有新改进；驾驶舱与现役空客飞机保持一致,以使驾驶员转型A380时具有相关认证资格。机身垂直排列成椭圆形三舱布局：该设计可使主层舱容纳一排10座旅客、上层舱一排8座旅客,使每位旅客比波音747有更大的空间；下层舱可设商店、酒吧、餐厅和/或38个LD3集装箱或13个货盘和18.4m3的散货。按用户要求可改装发动机、短舱和改变气动特性,以大大降低噪音水平。机翼的1/4弦线后掠角为3330。3.1操纵面单缝襟翼结合机翼前缘下垂以改善爬升性能。机翼各侧有2块副翼和2个作动筒,外加带单个作动筒的8块扰流板。升降舵每侧有2块和

5、2个作动筒,方向舵也有2块和2个作动筒。3.2结构复合材料大量用于襟翼、扰流板、后承压框、中央翼翼盒、尾翼等部位。采用glare复合材料,明显减少了结构重量,防止疲劳/损坏。激光束焊接可减少成本和重量,用于连接长桁和下机身壁板。机翼前缘由热塑性塑料制成。外翼金属是粘结的。A380-800上部地板梁用复合材料制造,整个结构使用重量较轻的2524铝合金以代替传统使用的2024。3.3起落架Goodrich主起落架,每个四轮翼下起落架重2310kg,每个六轮机身下起落架重4080kg。Messier-Dowty双轮前起落架。米其林AIR X NZG轮胎：A380-800主起落架为1400530R23

6、40层轮胎；前起落架为1270455R32层轮胎。机身下起落架设置在翼下起落架稍后的位置。所有主轮均装有碳刹车。能在45m宽的跑道和23m宽的滑行道上进行机动。利用差动刹车或不对称推力可在60m宽的跑道上进行U转弯。3.4动力装置A380选用联盟GE/P&WGP7200或 R-RTrent900系。Trent于20XX晚期首飞,原定20XX取得适航合格证,据称已推迟到20XX第一季度。Trent970最初额定推力311kN,后降为302kN。但最终定为374kN。联盟GP7200使用与波音747X和远程767动力装置相同的核心机。设计工作始于20XX8月,后推迟到20XX初,20XX4月首次运

7、转,20XX7月获取适航合格证,额定推力363kN,拟于20XX初首飞。两型动力装置标准燃油310,000L；远程型飞机在机翼中央翼盒内,安装额外的燃油箱。3.5座舱两人制驾驶舱,设有机组人员休息区；机身各侧有5个主层舱应急出口和3个上层舱应急出口。三级布局标准载客555人主层舱一级22人,经济级334人；上层舱商务级96人,经济级103人,座舱排距为一级173cm；商务级122cm；经济级81或84cm。短程高密度布局840人。双通道登机梯允许四过道登机和通过主层舱离机。用于上层舱的救生滑梯藏入机体而不是在舱门内。3.6系统装有由Thales公司和Diel公司的航电系统组成的综合模块航电系统

8、IMA,Rockwell Collins公司的传输速率达100兆位/秒的具有全双工连网的以太网。装有变频交流发电系统。为便于滑行,垂直安定面顶部和机身下部配有照相机。安装了燃油管理系统。两个24110 5帕的液压系统黄色和绿色和两个电器系统红色和橙色用于飞行操纵,后者每个采用至少两个不同的系统以防其中任何一个万一发生故障；每个系统都是完全独立的。液压系统所用的导管系统较其早期空客飞机所用的要轻且结构紧凑。机翼下起落架由绿色系统供压；机身下主起落架由黄色系统供压。发电系统采用180千伏安发电机。采用Eaton公司的8个发动机驱动液压泵和4个电动液压泵,工作压力345105帕。3.7电子设备装有带

9、Thales/Diel显示器的Honeywell公司飞行管理系统。Rockwell Collins公司通讯/导航标准包括VHF-920和HF-900数据无线电通讯、多模接收机、VOR-900全向指向接收机、DME-900和ADF-900。双套Thales平视显示器任选。驾驶舱布置方案可与其它空客飞机兼容。8台新一代15cm20cm的液晶显示器取代了传统的11台15cm15cm的显示器。装有机上信息系统OIS和机上维护系统OMS以及Honeywell地形导航和地面导航系统。3.8几何尺寸外部尺寸.翼展79.80m弦根16.60m展弦比7.5机长72.75m机身最大宽度7.14m机高24.08m尾

10、翼翼展30.38m主轮轮距14.33m前后轮距30.40m.内部尺寸.客舱长度50.68m主舱最大宽度6.58m上舱最大宽度5.92m主舱地板宽度6.20m上舱地板宽度5.33m货舱总容积171.0m3.面积机翼总面积845.0m2重量和载荷.使用空重277,000kg最大商载84,000kg最大起飞重量560,000kg最大停机重量562,000kg最大着陆重量386,000kg最大零油重量361,000kg最大机翼载荷662.7kg/m2.性能估计,Trent发动机.最大使用速度M0.89实用升限13,100m航程14,816km.4.先进的气动技术空客公司在A380飞机的设计过程中不仅解

11、决了巨型结构尺寸所带来的一系列工程技术问题,而且在气动力设计技术方面也有所创新。4.1选择最佳机身截面作为目前世界上最大的民用客机,A380既要充分满足用户获得最大机身容量的要求,又要满足适航机构提出的飞机外型尺寸不得超出80米见方的空间限制的机场停放要求。为此,空客为A380选择了竖卵形机身横截面形状,这是目前业内公认的,舱内容积截面最大,同时又能满足限定的条件。A380机体上下两部分均采用宽体飞机机体结构组成。之所以选用这样的结构,是因为如果采用宽体飞机下机身与窄体上机身的组合形式,其机舱内部空间会受到较大的限制；如果采用进一步增加机身宽度的方式,虽然能满足乘客的登离机要求,但却降低了飞行

12、经济性。4.2机体CFD优化设计A380是空客有史以来首次先对机体采用先进计算流体动力学方法进行结构设计和优化的产品。尽管从飞机整体设计角度来看,机翼对飞机的总气动性能影响最大,但空客用CFD技术先对A380机身进行结构设计和优化后,飞机的总体阻力减少了2以上。在对A380机身进行CFD优化设计中,机头部位的优化设计工作是最为关键的。这其中有两个重要的考虑因素,一是因为A380作为第一种全机身长度都采用双层机身布局的飞机,其机头设计必须要满足双层客舱布局飞机钝形机头的设计特点；二是A380在整个设计过程中必须要满足FAA提出的80米见方的机场停放空间的限制。另外,飞机在总体设计中还需要综合考虑

13、阻力、机身宽度、舱内声学特性等各种气动的、结构的和环境的要求。最终机头设计结果使全部流经机头上部的亚音速气流流速控制在大约M0.85,并能够在速度高达M0.89时也不会产生激波。前机身段相对机身其他部位而言利用价值更高,因此设计人员针对驾驶舱门窗周围的气流作了大量细致深入的CFD优化设计工作。仅为确定驾驶舱位置前后就花了4年时间,作了多次修改。目前A380的驾驶舱位于飞机机头的中部,机头的外形曲率也改得稍稍平缓了些,因为飞机头部曲率较小有利于增加抬头力矩和飞机配平。包括驾驶舱和前部地板下货舱在内,A380的前机身段共分为四个独立的舱室,其余两个舱室为前起落架舱和雷达舱。一块带有曲度的密封增压隔

14、板通过激光束焊接技术与驾驶舱门和前机身下部焊接到一起,将驾驶舱密封舱与前起落架和气象雷达舱分隔开来。4.3精心的机翼设计A380巨大的机翼从翼根到翼尖足足有36.6米长,根部弦长为17.7米,比A320一侧机翼的翼展还要长。面对这样的巨型升力面,设计人员在机翼设计过程中,除了要考虑上述FAA提出的80米见方的机场空间限制之外,在机翼尺寸和外形设计中还要考虑很多其他限制条件造成的影响。例如,机翼的根梢比要受到机翼面积和翼根弦长两方面的约束限制。而后者本身又需要满足FAA提出的飞机两个舱门之间的最大间距不得超过18.3米的规定。这样一来,A380的应急出口需设在上层舱的前门,应急逃离滑梯必须位于机

15、翼前、后缘的上面。在这些限制条件下,机翼最终的面积为845平方米,比目前的波音747的524平方米大了很多。A380机翼的尺寸主要是受到机场现有基础设施要求的限定,不然设计人员大概更愿意采取加长翼展而不是增加翼面积的做法。此外,由于A380属于一种高高客容量飞机,最终确定机翼面积时,还要综合考虑采用结构尽可能简单的增升系统。包括单缝后缘襟翼、前缘缝翼和两段前缘下偏装置等。A380机翼的襟翼和缝翼设计,要达到使A380能以低于140节速度进场的性能目标。同时,最终确定的机翼尺寸要使之具有能够承受1.3g以上的抖振发生裕度。根据空客的设计目标,A380应该能实现以最大重量起飞时,直接爬升到1050

16、0米高度的爬升性能目标。前缘襟翼两段前缘下偏装置是在设计的后期才增加的,是为满足20XX的QC2要求所作的改进的一部分。前缘襟翼下偏的角度位置是由翼根的位置确定,为了有助于改善飞机的起飞性能,设计人员试图通过使翼根根部率先失速,给飞机一个正的机头下偏力矩,以减小飞机迎角,使之快速恢复到正常状态。目前这种新的前缘襟翼装置已经取代了空客最初设计的3.6米长的内侧机翼边条。基于CFD设计技术,A380机翼沿翼展方向不断改变机翼弯度和扭转角度,从而进一步减少2的阻力,并减少了发动机吊舱对机翼干扰阻力。在A380的设计过程中,空客共为之研究了17种不同的机翼平面设计方案,并对11种高速翼型进行了25次风

17、洞试验。A380机翼的跨音速风洞试验工作将于今年年底完成。试验表明,A380机翼的升阻比提高了8；马赫数灵活性提高了33。机翼位于飞机35到40之间的中心范围处,比以前客机的位置都靠后。机翼1/4弦长后掠角为34.46,在每侧的两台发动机之间段变为35.73,在机翼外缘段为33.5。这符合空客在A380设计中提出的尽可能增加翼根的后掠角,减少外翼的后掠角的设计思想。把后掠角定在3035之间,比747略小,比777略大。A380机翼设计中一个重要的技术创新是增加了主动载荷管理系统。 该系统通过机翼两侧油箱转换系统实现机翼载荷的合理内部分布,补偿长期内载分布问题对结构造成的影响。5.新材料的应用空

18、中客车的A380是一款前所未有的超大型民用运输机。为使其在性能水平、商业水平和环境水平上有突破性的整体改善,空客公司采用了大量先进的综合技术。而飞机性能水平的改善,首先要解决尽可能减轻结构重量的问题,这需要慎重地选择各种先进的新型结构材料。而且材料的选择绝不仅仅局限于满足结构性能要求的设计准则,还需要考虑成本,以及采购活动的需要等因素。5.1先进新型金属材料仍占主导地位飞机结构的选材,主要以提高结构强度/损坏容限,增强结构稳定性和抗腐蚀性为指导准则。在A380的结构选材中,先进铝材仍占有很高的比例,大约占整个机体结构重量的61%,特别是机翼结构,铝材的用量占机翼结构重量的80%。此外,A380

19、大型结构部件的尺寸要求也面临极大的设计挑战。A380-800先进铝合金选材特点包括：机身壁板选用尺寸非常宽的铝合金钣材,以尽可能减少连接部件,减轻结构重量；飞机主舱横梁采用了铝锂合金锻压件。新一代合金材料的出现使铝锂合金可能具有与碳纤维增强塑料CFRP在这类部件上应用的竞争潜力。翼梁和翼肋选择全新的7085型合金。与制造超厚钣材和大型锻件用的传统合金材料相比,7085型合金材料强度更高。更多选用钛合金材料。钛合金材料由于强度高、重量轻、损伤容限高和抗腐蚀性好等特点,一直是代替飞机结构中钢材的理想金属材料。但其高昂的价格在某种程度上限制了它的大量应用。在A380上,钛合金的用量已经从原来占空客飞

20、机结构重量的5%7%增加到10%,仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%,这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战。空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。采用的普通Ti-6A1-4V合金也经过了B退火条件处理,以使之达到最大断裂韧性和最小裂纹扩展速度。A380也是空客首次采用与俄罗斯生产商合作开发的VST55531牌号新型钛合金材料的飞机。这种新型的钛合金材料具有异乎寻常的断裂韧性和高强度的组合特性,比较适用于机翼和发动机挂架之间连接装置的制造,其进一步的应用尚在研究之中。5.2复合材料用于大型结构件的技术突破在A380结构设计中,复合材料的用量排在第二位,占飞机结构总重的

21、22%。空客是最早将复合材料广泛用于大型商业运输飞机的飞机制造商。A310是首架采用复合材料尾翼翼盒的飞机；A320率先在商用飞机上采用了全复合材料尾翼；A340飞机机翼结构复合材料重量占结构重量的13%,以及A340-500/600成功采用了碳纤维增强塑料CFRP龙骨横梁。今天,空客凭借丰富的复合材料选材经验和日臻成熟的应用技术,在A380飞机上又开创了复合材料应用的新篇章。A380将是第一种采用CFRP复合材料中央翼盒的大型商业飞机。与采用铝合金材料相比,这种中央翼盒的重量将减轻1.5吨。A380的中央翼盒重约8.8吨,其中复合材料用量占5.3吨。采用CFRP复合材料制造中央翼盒的关键技术

22、挑战是解决复杂的翼根结合处的制造难题和解决部件厚度较大的问题,因为该部件的最大厚度甚至达到45毫米。A380的上舱地板横梁和后压力隔框也将由CRFP制成。前者采用挤拉工艺制造,即将碳纤维增强塑料通过一套工具连续拉出。后者则因为形状原因,试验了不同的制造方法,例如树脂薄膜渗透和自动化纤维铺放方法,并最终选择了RFI方法。对A380后机身非增压部分的复合材料蒙皮,是双曲面的蒙皮面板,选用AFP方法制造。但高承力隔框则采用高强度铝合金经机加工成型。通常,复合材料的树脂转移成型法更适用于生产承力小的结构部件。A380的固定式机翼前缘J形机翼前缘采用曾经在A340-600项目中开发的热塑性玻璃纤维材料。

23、它具有减轻结构重量、制造简单、能改善损伤容限的优点。而且与采用金属部件相比提高了可检性。其可操纵的机翼后缘选择CFRP材料,也被认为具有当代先进技术水平。该机的一些操纵面的铰接部件和翼肋,将选择RTM制造技术。在A380悬臂式机翼翼盒设计中,空客大胆进行了用CFRP翼肋代替铝合金翼肋的尝试。此外,A380的中间和外侧襟翼、襟翼滑轨整流罩,以及扰流板和副翼,也都采用了CFRP材料。在A380的夹层结构设计中,采用轻型蜂窝结构代替常规的芳族聚酰胺 agamid纸蜂窝结构是空客的技术创新之一。这种情况适于大型结构,如机腹整流罩超过300平方米和客舱地板。在A380设计过程中,尽可能使用单体设计代替夹

24、层结构,如它的机身下起落架和机翼下起落架已经采用了单体设计方案。5.3充分利用GLARE材料的性能优势A380-800结构采用的GLARE材料占飞机总重约3%,该材料占大约500m2的蒙皮,主要是上机身壁板。GLARE是一种混合材料,由铝箔和单向性玻璃纤维层交叠,通过浸渍环氧粘合剂叠接而成。与采用铝钣材制造壁板相比,GLARE材料适用于制造宽度更大的机身壁板,从而可以减少机身蒙皮壁板纵向连接点。机身壁板应用GLARE材料的动机是因为其出色的抗裂纹能力。与铝合金相比,GLARE材料的另一个重要优点是还能显著提高防腐蚀和防火能力。目前,空客正在准备进行大量的试验,包括一些部件的局部和全尺寸试验,以

25、验证他们为A380选择的结构设计方案和新材料的特性。例如,试验利用GLARE制造的机翼前缘的防鸟撞能力,对用GLARE替代铝材料后的尾翼前缘进行的性能测试等。6先进制造技术对A380的贡献6.1先进复合材料制造技术A380飞机上自动纤维填注、自动铺带、树脂薄膜渗透和树脂转移成形等先进复合材料制造手段的应用,有助于减小复合材料部件的生产成本,并使超大型A380飞机上超大尺寸的复合材料部件加工成为可能,从而减小了装配成本。A380使空客在机体复合材料的应用研究方面又迈上了一个新的台阶。6.2激光焊接A380开始用激光束焊接技术取代下机身壁板桁条的铆接工艺。LBW技术的应用将使机身壁板结构从过去的装

26、配式结构概念改变成整体式结构概念。从机械的观点来看,二者主要的差别在于蒙皮损坏后能减少裂纹的增长。空客还准备将LBW技术扩展到铝合金6056和6013的焊接领域。试验结果表明,LBW是适用于单曲度和双曲度壁板的焊接工艺,能显著降低生产成本,提高防腐性能和减轻重量。空客还将进一步将LBW技术用在蒙皮和支架接头,以及起落架舱区域压力隔框的制造上。7减轻结构重量的种种努力在A380的设计和生产过程中,减重是一个十分重要而艰巨的任务。设计人员为此付出了巨大的努力。7.1中央翼盒对机翼中央翼盒所做的大量减重措施包括：翼盒上、下蒙皮壁板,前、中、后梁等都采用复合材料制造；上梁、地板支柱和机体的主框支撑结构

27、使用铝材。A380中央翼盒段中所用的大部分复合材料都是碳纤维增强材料,所用的铝合金材料种类多达7000多种。7.2巨型机腹整流罩A380的机腹部被一个巨型的机腹整流罩罩住。机腹整流罩由大约100个复合材料蜂窝夹层结构蒙皮壁板构成,从而大大减轻了结构重量。7.3客舱地板结构A380货舱地板梁采用的是常规AL7175铝合金,但主舱地板梁最终将采用重量更轻的Al-Li-C460/2196铝锂合金制造。这种材料目前技术已趋成熟,价格也适中。在A380的设计中,采用凯夫拉复合材料作为上层客舱的地板梁是空客在结构设计上的一个技术创新。目前空客还正在研究采用钛合金制造A380的座椅滑轨。因为调查表明,很多民

28、航用户比较喜欢目前在波音777飞机上用的这种抗腐蚀性能比较好的座椅滑轨。但显然采用这种高密度材料将要付出一定增加重量的代价。7.4独特的机翼结构在A380机翼设计过程中,设计人员也采取了很多减轻结构重量的技术措施。A380飞机与早期空客飞机在机翼设计上的不同之处,还在于工程技术上的突破,例如能很快获得制造中所需的设计数据,加快生产进度。机翼的前缘由热塑性材料制成,机翼的三段副翼、八块挠流片和外侧襟翼则由凯夫拉材料制成,内侧襟翼由常规铝制蒙皮和桁条组成,并作为两段机头下偏装置。A380机翼与早期空客飞机的设计上有所不同,A380的大部分翼肋都与机翼的后梁垂直连接,几乎一直到翼根处也是如此。在辅助

29、梁之后,翼肋开始出现沿纵向朝翼根偏斜,靠近翼根处的翼肋的长度大约为2.5m。机翼改进还包括全新的结构设计、新材料的广泛应用以及新的制造工艺和结构。例如,A380襟翼导轨是由复合材料与铝混合材料构成的。通常情况下,襟翼滑轨是一个密闭的盒式梁结构,是飞机结构中单纯的一个铝合金结构部件,但在A380飞机设计中它是一个重要部件,因为一旦飞机上的这个部件的尺寸被改变,会对飞机其他部件的改变带来连锁反应。空客对A380机翼前缘部位的构架和翼肋进行了创新设计,专门设计的翼肋可以充当翼根处空间较大的前缘结构的支撑部件。空客采用了一种内蒙皮打磨机,它可以取代目前用的打磨工序,降低每块机翼板条的重量,并提高桁条与蒙皮的连接质量。为达到减重的目的,A380机翼有25的翼肋由凯夫拉复合材料制成,在超大型飞机的机翼上用如此大比例的复合材料翼肋,在空客的飞机制造史上还是史无前例的。.