高建玉 王利鹏 赵国文

摘要：为满足现代城市消防灭火的需求，开展城市消防研制工作，在直升机外部增加消防灭火设备。阐述了直升机增加外挂消防用水炮系统机体结构改装方案，经强度校核及装机试飞验证，改装方案能够满足强度设计要求，具有良好的工艺性，同时能够满足系统的安装和维护要求。

关键词：水炮系统；结构改装；接头

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672]3198.2018.27.089

1概述

为了满足现代城市消防的需求，在某型直升机上加装外挂水炮系统，主要用于城市高层建筑及复杂地形环境下的灭火。由于加装水炮系统是在已有的某型直升机上进行改装，通过在机身外部增加接头连接件和机身内部加强件来满足外挂设备的强度设计要求，增加了结构设计难度。本文主要阐述了水炮系统安装位置的选择及载荷传力路线分析，对水炮安装接口进行了尺寸定义，基于有限元的非线性接触分析，对接头进行了合理的优化设计。经验证，能够满足系统安装要求和强度要求，传力路线合理可行，重量较轻，改装工艺性良好，拆装方便。

2设计思路

2.1水炮安装位置选择

水炮系统主要由水炮转塔、炮管、增压泵等组成。根据现有直升机结构布局，为了避免与已有系統干涉和降低结构加强的实施难度，将水炮转塔（含炮管）布置在直升机的左侧4～5框蒙皮外侧，货舱地板以上，位置见图1；根据重量重心计算结果，同时考虑到重力加油口等因素，将增压泵布置在右侧7～9框蒙皮外侧，货舱地板以上，位置见图2。

2.2结构布局及传力路线分析

单侧外挂系统通过转接板与机体结构连接，转接板上为双耳接头，机体结构上为单耳接头，二者通过插销连接，便于拆卸。单耳接头布置在4框（7框）、5框（9框）凸缘外侧，每个接头利用4个螺栓固定在机体结构上，机体内部在接头安装处设计角盒，便于载荷的传递和扩散，安装参考如图3。

加装外挂水炮装置，作用到机体结构上的载荷主要为惯性载荷（Fx，Fy，Fz， Mx，Mz）和水炮发射时的载荷Fx。其中Fx通过接头传递到水平板件和地板，并最终扩散到蒙皮；Fy，Mx通过接头及角盒传递到隔框上；Fz通过接头直接传递到框凸缘；Mz通过前后两个隔框的拉压传递；具体位置见图4。

2.3连接接头设计

由于增压泵系统的重量比炮塔小，而且重心位置更靠近支承点的形心位置，所以增压泵系统安装产生的接头销轴处载荷可以被炮塔支撑载荷所覆盖，而两者结构形式相同。所以本文仅针对炮塔系统接头进行介绍，其余均与其相同。

2.3.1接口尺寸定义

根据系统安装要求，并考虑水炮系统装配工艺性，在单耳接头上安装关节轴承，便于水炮系统安装调整。由于外挂水炮系统通过插销与接头连接，插销为直径12mm，故关节轴承选用外径25mm、内径12mm规格是GET12DEM1T。初步设计接头尺寸如下：a=25mm，w=36mm，耳片厚度8mm，材料为30CrMnSiA。具体见图5和图6。

2.3.2强度计算及校核

接头设计首先考虑载荷情况，共有这样几种载荷：带水炮系统飞行着陆时的过载；风载，水炮工作过程中产生的后坐力。根据水炮系统的重量重心和4个机身结构支撑点的坐标，将载荷叠加并计算出4个支撑点最

大的载荷情况，以这个最大的载荷来校核接头的传载和强度，其他3个接头采用一样的尺寸形式即可。计算得出四个支撑点的各项载荷如表1所示。

通过计算，轴向载荷按最大载荷9508N计算，应力为96MPa；严重剖面位置（45度剖面位置）按最大载荷4161N计算，应力为378MPa；所以耳片最大应力为378MPa。并通过有限元分析接头应力云图如图7所示，此接头结构形式可行。

2.4加强角盒设计

角盒选用铝合金7075-T7351材料，设计角盒尺寸为：端板厚度te为5mm，侧壁版厚度tw为2mm，角盒通过螺栓与接头对接，承载螺栓的拉压载荷。角盒尺寸如图8和图9。

2.5接头与机体结构连接设计

对于螺栓连接处承载拉伸载荷来说，经有限元计算得出单个螺栓最大拉伸载荷为5100N，如图10所示，根据《飞机设计手册》第二册选用HB1-101-M5×L，螺栓可以满足强度设计要求。

3结论

本文阐述了某型直升机安装外挂水炮系统机体结构改装设计方案，通过有限元分析证明，载荷传递合理、可行，接头机角盒等加强结构能够满足强度设计要求。该型号改装设计已完成，并通过了演示验证，结果表明，方案工艺性良好，实施方便，同时能够满足水炮系统安装和维护要求。

参考文献

[1]牛春匀，冯振宇，程小全，张纪奎译.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009.

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第10册 结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000.

[3]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第2册 标准与标准件（上）[M].北京：航空工业出版社，2000.