民用飞机舱门设计各阶段要点研究

吴 宁

（中国商用飞机有限责任公司，上海 200336）

1 飞机概念阶段

从市场调研和顾客对飞机的要求捕捉出对舱门使用、维护要求，形成舱门的顶层设计要求。在此阶段，设计人员主要通过舱门布置、舱门形式、开启方式、可用空间等多种设计概念进行对比论证。

1.1 舱门布置

舱门布置时，首先要确定前后登机门、前后服务门、货舱门的数量、位置、大小，其次考虑其他应急门，再根据机身上安装设备的维护情况，需要设置电子设备舱门、APU维护门、其他维护舱门。登机门作为出入客舱的舱门，在布置时要考虑满足人员出入飞机的舒适性、方便性，同时登机门一般兼作应急出口，还要满足CCAR25部关于应急出口布置的要求。布置应急出口就是确定应急出口的数量、尺寸、位置的过程。应急撤离的目标是：即使在飞机姿态非正常等情况下，90s内尽快将所有乘客与机组人员从机舱安全撤离到地面或水面。应急出口的设置应严格按照CCAR25第25.807条和25.809条款要求。货舱门应根据飞机装载能力，使最大可行尺寸的包装箱进出，并便于装运各种不同的规格、不同种类的尽可能多的货物。对于民航客机，由于登机门一般位于航向左侧，为了便于人、货分流，一般货舱门布置在飞机右侧。舱门的布置注意点：1）舱门不宜紧靠机身结构分离面；2）舱门不宜靠近与机翼前、后梁连接的框布置；3）舱门布置不宜改变机身原来的框距；4）舱门布置需考虑在使用时，不能与飞机周围保证车辆的使用发生冲突。

1.2 舱门形式

舱门形式分为堵塞式、半堵塞式和非堵塞式。堵塞式和半堵塞式舱门只承受内部压力或座舱压力，非堵塞式舱门除承受内部压力外还承受机身剪力。无论堵塞式舱门还是非堵塞式舱门，压差引起的载荷均由舱门骨架和舱门蒙皮共同承受。

1.3 开启方式和可用空间

开启方式的选择是指手动操纵开启或者动力驱动的选择，是内开式还是外开式的选择、是侧翻还是平移开启的选择。开启方式的选择要从满足舱门功能的需求出发，综合考虑技术的可实现性、风险与研制成本。

2 初步设计阶段

根据舱门的顶层设计要求，结合适航条款要求，形成各舱门的设计要求；初步确定各舱门的总体布置、尺寸大小、开启方式与机构原理设计方案，进行舱门结构初步布置；初步确定舱门材料选用方案；初步确定舱门密封带的形式和材料；开展各舱门的功能危害分析（FHA）和初步系统安全性评估（PSSA）；开展选型试验。

2.1 机构交点位置协调与定义

舱门总体方案确定后，根据舱门的特征位置，就可开展舱门机构布置和机构交点位置协调设计，主要考虑因素：1）机构的功能要求，如舱门的运动方式，锁定/解锁逻辑，手动或动力操作方式，是否需要从内外两侧操作手柄，在结冰情况下舱门能否开启，是否设置增压预防装置，是否设置防人为恶意开门的装置等；2）机构的性能参数要求，如需要转动的角度、平移的距离、手柄力大小和开启时间等。最大手柄力不大于50 lbf（222 N）；3）舱门的安全性设计要求，上闩和上锁逻辑，解锁和解闩逻辑，作为应急门使用的舱门开舱门工作简单明了，手柄初始运动轨迹向上，机构的挠度设计（过死点设计）等；4）舱门的人机工程要求，在手柄的全行程内，手柄的高度应在门槛上762 mm～1 397 mm；手柄在行程内运动要求平缓连续，不得突然改变手柄力的大小与运动方向，并且手柄的转动角度不得大于 180°。

2.2 舱门结构方案设计

舱门结构方案设计包括对结构形式的选择，对不同结构方案的比较与选定，对主要结构的位置和几何尺寸的综合协调及确定，主要考虑因素：1）舱门按主要材料可分为金属结构方案和复合材料结构方案。目前大多数运输机的舱门均采用金属结构方案，此方案又可分为3种类型：钣金组合件为主、机加件为主、整体铸造；2）横纵向构件布置（平行于框为横向件，垂直于框为纵向件），为满足舱门在强度和刚度方面的要求，舱门结构需要根据舱门自身尺寸布置若干纵向构件和横向构件。

2.3 舱门密封形式定义

舱门密封性是舱门密封结构设计的各个方面表现出来的一种综合特性。密封结构形式、密封带截面尺寸、压缩量大小、密封带材料特性和增强织物等直接影响舱门的密封性。

2.4 密封带选材

适用于舱门密封带的橡胶材料常用的有以下几种：硅橡胶、乙丙橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶等。

3 详细设计阶段

根据舱门的顶层设计要求，分别提出各舱门的结构、机构组件的设计要求；明确舱门选用何种动力源；确定应急滑梯包安装、内装饰布置等；确定舱门的显示告警形式；开展舱门机构初步运动学、动力学仿真分析；开展舱门强度、刚度计算；开展密封条仿真分析；开展各舱门的故障树分析（FTA），故障模式、影响及危害性分析（FMECA），共因故障分析（CCA）等舱门可靠性、安全性初步分析及维修性初步分析。

3.1 运动学仿真分析

运动学仿真能够使设计人员清楚地了解每个构件在运动过程中与其他构件的运动间隙、干涉等情况，应尽早启动运动学分析，这样在机构打样过程中或更早的时期便可发现机构运动可能存在的干涉或空间不足等问题，在此期间也有必要与其他专业充分协调，避免机构运动间隙留的不足。

3.2 动力学仿真分析

通过建立多体动力学模型，将舱门机构中各个构件通过运动副连接起来，确保它们在实际工况下，众多构件间的相互作用和运动关系与设计一致，得到各构件各环节的受力情况，判断机构原理、交点布置、杆系比例等是否合理。

3.3 密封带仿真分析

典型的橡胶材料应力应变特性表现出弹性和高度非线性称为超弹性。超弹性材料受力时可以保持弹性变形直至大应变值。有限元软件在模拟橡胶等超弹性材料时，一般作如下假定：

材料为弹性。

材料为各向同性。

材料默认为不可压缩。

模拟将包括几何非线性。

3.4 功能性研发试验

对于新型、未证实过的舱门设计，应开展全尺寸的功能性研发试验，包括密封性能、增压变形、手柄力、正常开启关闭功能、应急开启关闭功能、飞行锁系统功能、结冰开门和淋雨等试验。

3.5 结构优化设计

舱门结构优化主要包括舱门骨架的布置优化与零、组件的设计优化。舱门骨架的布置优化与舱门尺寸、开启方式、形式及机构交点的布置关系密切，在保证机构安装和必要的强度、刚度的前提下，要尽可能保证设计简洁、传力路线明确。

3.6 机构优化设计

舱门机构优化一般通过机构交点调整、载荷元件的变形与预紧力设定、运动副摩擦力控制、弹簧力与扭矩值的变化，以及舱门安装精度控制等方面进行，通常借助优化软件进行多体动力学仿真分析，得到影响机构特性的关键要素。

3.7 强度、刚度分析

强度分析：根据舱门结构的特点，应主要校核5种结构形式：（1）蒙皮；（2）纵梁、横梁；（3）典型连接；（4）耳片（5）手柄。

刚度分析：舱门的变形要符合标准，并且与门框的弹性变形基本协调。在正常使用过程中，舱门不允许出现永久变形，以便保证密封可靠，机构工作正常。

3.8 安装与调整技术要求编制

编制舱门安装与调整技术要求是舱门设计工作的延伸，目的是指导工艺、制造部门按照合适的程序和正确的方法将舱门安装与调整到位，实现舱门各项预定的功能。主要内容包括：1）舱门安装姿态的调整方法。2）舱门与口框的间隙、阶差的调整方法。3）舱门机构的调整方法。4）舱门安装与调整后的检查要求等。

4 结语

该文主要依据相关适航标准，就民用飞机舱门设计工作进行了梳理，对飞机总体定义、舱门初步设计、详细设计各阶段工作要点进行了研究，提供了民用飞机舱门设计的工作参考。然而对相关机型舱门设计工作的深入研究仍在继续，且国内民机研制工作尚处于不断探索的过程中，因此结合舱门设计工作实际对于该文所提供的方向进行深入研究十分必要，也将作为对该文观点的验证和完善。