CN111263500B - 一种飞机搭接系统及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机搭接系统及构建方法，用于解决非金属飞机搭接难题。所述搭接系统包括：柔性编织导体、联接导体、支承座和扩展搭接模块。柔性编织导体可弯折并复位，表面任一点可用于免钻孔搭接；联接导体位于上述柔性编织导体的端头和中段，每隔若干距离安装一个，并连接所述支承座，用于支撑固定一条或多条搭接通路；扩展搭接模块用于扩展搭接点的数量和搭接形式。本发明提供的搭接系统便于拆装维护，有良好的容错性和可扩展性。本发明同时提供了将此搭接系统应用于非金属飞机的构建和优化布局方法。

Description

一种飞机搭接系统及构建方法

技术领域

本发明属于飞机电磁兼容设计领域，尤其涉及一种飞机搭接系统及构建方法。

背景技术

搭接设计是飞机设计中一个极为重要的环节。设计优良的搭接系统，能够提高电子设备工作的稳定性，释放零部件上积累的静电荷，防止电击和雷击事故。

出于减重和便于制造装配等目的，当今飞机越来越多地采用复合材料等非金属结构来替代传统的金属结构。但非金属飞机结构导电性远逊于金属飞机结构，无法直接用于搭接，因此需要额外构建导电性良好的搭接系统。现有的非金属飞机内部搭接系统多采用安装在机内的金属条、金属管及与其电气导通的金属框架结构等构成。这种搭接系统的缺陷在于：1.中大型非金属飞机，为了满足机身强度要求，机身内有足够多的金属框梁结构。将这些金属框梁结构连接导通飞机零电位点，可以较为方便的构建搭接系统。但目前大多数的非金属飞机是小型飞机。小型飞机机体较小，无需使用金属框梁就可以满足机身强度需求，通常采用无框无梁的机身设计，其内部可用于构建搭接系统的金属框架结构相当稀缺。2.除了搭接专用零部件，其他用于搭接的金属搭接结构件的位置布局并非出于搭接设计的目的。对它们来说，搭接只是顺带实现的功能。为了保证主功能的实现，它们不能随意更改布置位置。这导致搭接系统缺乏整体规划设计，出现搭接通路过长、过重，后期难以优化完善等问题；3.不同的搭接结构件，往往有不同尺寸和类型的机械接口。拆装时，为了匹配各种不同的机械接口，不得不频繁更换拆装工具，这增加了拆装维护的难度，不利于飞机批量生产和维护；4.搭接孔位置固定且数量有限，基本不具备容错性和拓展性。一旦需要搭接的零部件稍微偏离或更改了安装位置，就难以连接到搭接孔位；加装新设备时，因为缺少搭接孔位而必须重新配钻搭接孔，易引发机上残留钻孔碎屑的问题，且通用性和互换性差。5.现有的搭接结构件大部分是刚性零部件。当拆装较长的刚性搭接通路时，必须多人配合，有时需要采用特制的工装夹具，维护性差。6.刚性搭接通路容易与周围的其他零部件发生安装位置干涉，缺乏灵活性。7.非金属飞机搭接系统的设计暂未形成量化的设计标准和指南，航空业界也没有达成一种公认较完善的解决方案。

发明内容

本发明提供一种搭接系统，能有效解决现有非金属飞机搭接系统存在的搭接通路过长、拆装难度大、易发生安装干涉，以及容错性、扩展性和维护性差等问题。本发明同时提供在非金属飞机中构建该搭接系统的步骤和优化布局的方法。

第一方面，本申请提供一种飞机搭接系统，所述系统包括柔性编织导体、联接导体、支承座和扩展搭接模块，其中：

所述联接导体位于所述柔性编织导体的端头和中段，每隔预设距离安装一个联接导体；支承座连接并支撑所述柔性编织导体、联接导体、扩展搭接；所述扩展搭接模块通过其底部的螺纹连接部件穿过所述柔性编织导体与所述支承座连接，其余扩展搭接模块通过其底部的螺纹连接部件穿过所述联接导体安装孔与所述支承座连接。

可选的，所述柔性编织导体包括金属细丝导体，整体呈扁平条带状且具备高导电性。

可选的，所述联接导体开有安装孔。

可选的，所述支承座包含外螺纹、内螺纹连接部件以及与之相连的底座。

可选的，所述扩展搭接模块包含N个能与针接触件连接导通孔接触件，使连接到孔接触件上的针接触件与其底部金属导通；

所述扩展搭接模块底部有外螺纹连接件。

可选的，所述联接导体通过压接的方式连接所述柔性编织导体。

第二方面，本申请提供一种飞机搭接系统构建方法，所述方法根据上述任一项所述的飞机搭接系统实现，方法包括：

在非金属飞机机体内部构建平行于航向的纵向搭接通路和垂直于航向的横向搭接通路；

所述横向搭接通路和所述纵向搭接通路相互连接导通，并与飞机电源负极相连导通，形成零电位等势体；

所述横向搭接通路和所述纵向搭接通路延伸到飞机各区段，为分散在机体各处的待搭接零部件提供搭接位置。

优选的，所述方法包括：

确定纵向搭接通路的条数，以及与每条纵向搭接通路对应的横向分支，所述横向分支为横向搭接通路；

若横向分支的纵向搭接通路有n条，构建所述横向分支的几何模型，横坐标分别为P₁，P₂，P₃，…P_n，其中，P₁≤P₂≤…≤P_n；

若n为奇数，则横向分支总长的最小值f_min(X)＝f(P_(n+1)/2)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_(n+1)/2+1-P_(n+1)/2-1)；

若n为偶数，则f_min(X)＝f(P)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_n/2+1-P_n/2)，其中，P_n/2≤P≤P_n/2+1。

本发明提供了一种较完善和规范化的解决方案，可用于解决非金属飞机搭接系统设计的难题。具体来说，本发明能满足非金属飞机的电磁兼容、静电防护等搭接需求，相对于常规的刚性搭接系统，本发明提供的搭接系统柔性可弯折，安装方式简单，便于拆装维护；搭接通路上任一点都可以用于搭接，且无需配钻搭接孔，有良好的安装容错性和便利性；搭接通路高度可调节，以消除安装干涉；可使用扩展搭接模块扩展搭接点数量和搭接形式，具备良好可扩展性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的搭接系统的装配拆解示意图；

图2是本发明实施例提供的支承座的示意图；

图3是本发明实施例提供的搭接系统的示意图；

图4是本发明实施例提供的搭接系统维修的示意图；

图5是本发明实施例提供的非金属飞机搭接系统的电气原理图；

图6是本发明实施例提供的非金属飞机搭接系统总体规划方法实施例示意图；

图7是本发明实施例提供的飞机客舱段待搭接零部件位置简化和二维展开过程示意图；

图8是本发明实施例提供的求取客舱段横向搭接通路分支最短总长的几何模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种飞机搭接系统，包括柔性编织导体、与所述柔性编织导体相连导通的联接导体、支承座，扩展搭接模块。其中，所述柔性编织导体采用金属细丝或其他具备高导电性的丝状材料编织制成，整体呈扁平条带状，能弯折和复位；对其表面任一点施加拉力，能使其导体丝之间出现孔缝，以插入和安装搭接零部件；柔性编织导体与飞机零电位点相连，形成与航向平行的纵向搭接通路和垂直于航向的横向搭接通路，延伸到飞机各区段，为分散在机体各处的待搭接零部件提供零电位的等势体。所述联接导体，位于上述柔性编织导体的端头和中段，与其连接导通；每隔若干距离安装一个联接导体，连接所述支承座；所述支承座，采用胶粘材料或紧固件与机体相连，用于支撑固定一条或多条交叉安装的搭接通路；选取使用不同尺寸或不同构造的支承座，可以调整搭接通路与飞机结构的间距，以避开安装在搭接通路附近的其他零部件，消除安装干涉。所述扩展搭接可以安装在联接导体上，也可以结合支承座，安装在柔性编织导体上；它用于增加搭接点的数量，能将搭接形式由螺钉螺母连接转换为接触件连接。

构建搭接系统的步骤和方法如下：

步骤一：选取非金属飞机的零电位点。方法为：选取飞机内部与飞机电源负极相连，且便于搭接的大体积金属导体。例如，某非金属飞机内部的金属防火墙，既与电源负极相连，又和大体积的金属发动机支架相连，形状规则，便于安装搭接零部件，因此将其作为零电位点。

步骤二：综合分析得出安装搭接通路的最优起始位置。本发明所提供的搭接系统，分为平行于航向的纵向搭接通路和垂直于航向的横向搭接通路。理论上，搭接通路与零电位点相连，并从零电位点开始，向飞机各区段延伸。但实际上，“零电位点”并非真的是一个点，而是有其具体的形状尺寸。例如，当零电位点为飞机的金属防火墙时，必须综合分析搭接通路从金属防火墙上具体哪一点出发，才能使得所有纵向、横向搭接通路的总长最短，从而确保整个搭接系统阻抗最小，重量最轻。综合分析和优化布局的方法在具体实施方式中有详细说明，此处不赘述。

步骤三：使用胶粘材料、紧固件和安装工具，按选定的坐标位置安装装配搭接通路。使用搭接线、搭接带、屏蔽层引出导线、接触件等搭接零部件，将各待搭接零部件，包括设备金属机壳、金属导管、线缆屏蔽层、以及其他金属导体，就近搭接到搭接通路上。

步骤四：使用测量仪表检查搭接电阻是否满足需求。对于未能满足需求的位置，进行整改，确保最终满足需求。

请参见图1。在图1实施例中，柔性编织导体1，沿航向布置，形成纵向的搭接通路。柔性编织导体1，沿垂直于航向的方向布置，形成横向搭接通路。横纵两条通路通过紧固件及支承座3相互连接导通。所有搭接通路都与连接飞机电源负极的零电位点相连导通，共同组成零电位等势体。联接导体2位于柔性编织导体的端头，及柔性编织导体中段。每隔若干距离安装一个联接导体2，它们与柔性编织导体1相连导通，并与支承座3相连。支承座3采用胶粘材料或紧固件与机体相连，用于支撑固定一条或多条纵横交错的搭接通路。扩展搭接模块4，提供一个或多个能与第一针接触件7-1,第二针接触件7-2连接导通的接口，并使其与搭接通路导通；扩展搭接模块可以安装在联接导体上(如4)，也可以结合支承座，安装在柔性编织导体上(如图3的4-1)。

图1提供了机载设备机壳搭接的实施例。第一机载设备5-1和第二机载设备5-2的设备机壳，分别通过搭接带6搭接到搭接通路上。搭接完成后，机载设备可通过搭接通路释放静电；使设备机壳成为零电位等势体，降低电磁干扰，避免电击事故；设备故障电流可通过搭接通路回流。其中，第二机载设备5-2的搭接点位于柔性编织导体中段；实施安装的方法为：对柔性编织导体表面施加拉力，使其导体丝之间出现孔缝，再插入、安装搭接零部件。

图1提供了线缆线束屏蔽层搭接的实施例。线缆线束的屏蔽层通过导线连接到第一针接触件7-1、第二针接触件7-2上。针接触件插入扩展搭接模块4的搭接孔，与搭接通路导通。搭接完成后，线缆线束屏蔽层通过搭接通路使屏蔽层成为零电位等势体，以确保电磁屏蔽效果。

请参见图2。图2左侧的支承座实施例采用内螺纹连接部件，搭接通路安装在其顶部。因为搭接通路是由便于弯折的柔性编织导体组成的，所以使用不同长度的内螺纹连接部件，就可以方便的调整搭接通路与飞机结构的间距，避开安装在附近的其他零部件，消除安装干涉；图3右侧的支承座实施例采用外螺纹连接部件，搭接通路安装在其底部，可配合使用垫片，在其螺杆长度范围内调整搭接通路与飞机结构的间距。支承座底部具有足够大的底面积，能可靠的粘接到飞机机体上。实际生产时，可根据安装需要将支承座底部2设计成圆形或其他任何形状。支承座螺纹连接部件和底座，可采用整体铣削、3D打印、压接、铆接、螺接、焊接等工艺手段，形成可靠的连接。

请参见图3。在这个搭接系统实施例中，搭接通路的敷设路径多次变换敷设角度，避开沿途的其他零部件。搭接通路选用外螺纹的支承座3，并使用螺母来连接，以避让离飞机机体较远的线缆束8。搭接通路选用螺杆长度较长的内螺纹支承座3，并使用带有外螺纹的扩展搭接模块4和螺钉5来连接，以避让紧贴飞机机体安装的线缆束8。用于设备和线缆电磁防护的搭接带6和扩展搭接模块4与搭接通路相连。它们的搭接点，可以是包括联接导体和柔性编织导体在内的整条搭接通路上任意一点。因此，安装定位具有极高的容错性。若因机型改进、或因新增设备，需要将被搭接零部件布置在远离已有搭接通路的位置，还可从现有搭接通路上引出新的分支至被搭接零部件附近。

请参见图4。本发明具有良好的维修性。图4提供了本发明一个实施例的维修方法。当搭接系统出现断裂或其他损坏形式时，不需要更换整条搭接通路即可完成维修。主要方法包括：在损坏位置重新压接联接导体，续接上断裂的两段柔性编织导体，并视需要在原断点位置加装支承座；也可以裁剪掉整条损坏段，在原位置重新安装一条连接导通损坏段两段的搭接通路。

请参见图5。图5阐述了本发明所述搭接系统的电气原理。传统金属飞机凭借合理设计的金属机体，可以轻松满足闪电防护、电流回流、电磁干扰防护和静电防护等搭接需求。但对于非金属飞机特别是小型非金属飞机而言，通常需要构建三种结构形态和主要功能各异的搭接系统：闪电防护、电流回流和电磁兼容搭接系统。本发明提供的搭接系统是上述三种搭接系统中的电磁兼容搭接系统，主要用于满足电磁干扰防护和静电防护搭接需求，并能传导故障电流。

请参见图6。在图6所示的飞机搭接系统总体规划实施例中，发电机10的负线连接到了飞机金属防火墙20上。选取飞机金属防火墙20作为飞机的零电位点。按飞机区段规划了6条搭接主通路。其中横向搭接通路共4条，包括：左机翼搭接通路40、右机翼搭接通路50、左平尾搭接通路70、右平尾搭接通路80。纵向搭接通路共2条，包括：客舱搭接通路30、后机身及垂尾搭接通路90。4条横向搭接通路通过机身、机翼、平尾之间的对接面进入客舱，与纵向搭接通路汇合导通，两条纵向搭接通路通过客舱、后机身之间的对接面汇合导通。所有搭接通路最终通过客舱搭接通路30连接到金属防火墙，从而构建起零电位等势的搭接系统。图6的搭接系统总体规划贯穿飞机各个区域，搭接通路的设计必须具备灵活的安装方式才能提高装配生产效率。实际工程中，在机翼前缘等狭窄的弧形安装路径，如果采用刚性的搭接通路，由于零部件生产和装配无法完全消除误差，因此非常容易发生安装干涉，生产和装配容错性差导致高报废率、高成本、低生产效率。采用本发明的柔性搭接通路，可以有效化解这一难题。

请参见图7、图8。本发明所提供的搭接系统，在工程应用时，会敷设成平行于航向的纵向搭接通路和垂直于航向的横向搭接通路。理论上，搭接通路与零电位点相连，并从零电位点开始，向飞机各区段延伸。但实际工程中，“零电位点”并非真的是一个点，而是有其具体的形状尺寸。例如，当零电位点为金属防火墙时，必须综合分析搭接通路从金属防火墙上具体哪一点出发，才能使得所有搭接通路的总长最短，从而确保整个搭接系统阻抗最小，重量最轻。

以求取客舱内搭接通路的最优起始位置为例。采用以下方法得到客舱段搭接通路的二维数学模型，得出最优的起始点坐标，并总结出可用于指导设计的普遍规律：

步骤一：将客舱简化为圆柱体。该圆柱体的底面面积等于图7金属防火墙1的面积；母线长度等于从图7金属防火墙1边缘沿客舱内壁到达客舱与机身分离面的长度。

步骤二：将圆柱体二维展开。如图7所示，沿母线将圆柱体二维展开，沿母线方向和展开边的方向分别建立坐标轴。根据待搭接零部件2、3、4、5的安装位置，得到其二维展开后的坐标(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)。

步骤三：建立搭接通路各横向分支长度函数的几何模型。如图7所示，假设客舱内仅布置一条纵向搭接通路，那么它需要从金属防火墙出发，到达客舱尾部，和后机身的搭接通路相连。它的长度是固定的，等于简化二维模型中母线的长度。因此，这种情况下，纵向分支不影响搭接通路的总长；搭接通路仅与横向分支总长有关。基于此分析，进一步简化数学模型。如图8所示，将(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)投影到X轴上，其坐标分别为(X2,0)、(X3,0)、(X4,0)、(X5,0)。

步骤四：得出最优起点坐标。设搭接通路起始点的坐标为(X,0)，则各横向分支的长度分别为：|X-X2|、|X-X3|、|X-X4|、|X-X5|。如图8所示，问题进一步简化为，求X轴上一点，使其到已知4点(X2,0)、(X3,0)、(X4,0)、(X5,0)的总长度最短。观察几何图形不难得出，当X3≤X≤X4时，总长度最短，等于X5-X2+X4-X3。

步骤五：根据几何模型总结出规律。结合简化后的几何模型，进一步分析横向分支数量、横向分支总长度与所需求取的最优X坐标的关系，得出以下结论：假定仅有1条纵向搭接通路，有n条横向分支，且横向分支简化后的几何模型横坐标分别为P₁，P₂，P₃，…P_n，需要求取一个横坐标X，使其到P₁，P₂，P₃，…P_n各点的总长度最短。显然，横向分支总长f(X)＝|X-P₁|+|X-P₂|+|X-P₃|+…+|X-P_n|。其中，P₁≤P₂≤…≤P_n。那么，当n为奇数时，横向分支总长的最小值f_min(X)＝f(P_(n+1)/2)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_(n+1)/2+1-P_(n+1)/2-1)。当n为偶数时，f_min(X)＝f(P)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_n/2+1-P_n/2)，其中，P_n/2≤P≤P_n/2+1。也即，当仅有1条纵向搭接通路时，采用以下优化布局方法，可以使横向分支的总长度最短：当横向分支数为偶数时，纵向搭接通路应位于简化后几何模型X值大小居中的两个待搭接零部件之间；当横向分支数为奇数时，纵向搭接通路应正好通过简化后几何模型X值大小居中的那个待搭接零部件。

步骤六：总结出可用于指导设计的普遍规律。基于上文所述的规律和结论，进一步推论出客舱段构建多条纵向搭接通路时，应采用优化布局方法为：首先，确定每条纵向搭接通路各有哪些横向分支。然后，参照上文所述步骤一至步骤五，依次确定每条纵向通路的最优起始点。需要注意的是，当客舱段构建有多条纵向搭接通路时，仅需保证一条纵向搭接通路的长度等于简化后圆柱体母线的长度即可；其余各条纵向搭接通路的长度等于它们离零电位点最远的横向分支与零电位点之间的距离。

步骤一到步骤六所述的优化布局方法也适用于飞机的其他区间，是一种可用于指导设计的普遍规律。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种飞机搭接系统，其特征在于，所述系统包括柔性编织导体、联接导体、支承座和扩展搭接模块，其中：

所述联接导体位于所述柔性编织导体的端头和中段，每隔预设距离安装一个联接导体；支承座连接并支撑所述柔性编织导体、联接导体、扩展搭接；所述扩展搭接模块通过其底部的螺纹连接部件穿过所述柔性编织导体与所述支承座连接，其余扩展搭接模块通过其底部的螺纹连接部件穿过所述联接导体安装孔与所述支承座连接；

所述柔性编织导体包括金属细丝导体，整体呈扁平条带状且具备高导电性；

所述扩展搭接模块包含N个能与针接触件连接导通孔接触件，使连接到孔接触件上的针接触件与其底部金属导通；

所述扩展搭接模块底部有外螺纹连接件。

2.根据权利要求1所述的飞机搭接系统，其特征在于：

所述联接导体开有安装孔。

3.根据权利要求1所述的飞机搭接系统，其特征在于：

所述支承座包含外螺纹、内螺纹连接部件以及与之相连的底座。

4.根据权利要求1所述的飞机搭接系统，其特征在于：所述联接导体通过压接的方式连接所述柔性编织导体。

5.一种飞机搭接系统构建方法，其特征在于，所述方法根据权利要求1至4任一项所述的飞机搭接系统实现，方法包括：

在非金属飞机机体内部构建平行于航向的纵向搭接通路和垂直于航向的横向搭接通路；

所述横向搭接通路和所述纵向搭接通路相互连接导通，并与飞机电源负极相连导通，形成零电位等势体；

所述横向搭接通路和所述纵向搭接通路延伸到飞机各区段，为分散在机体各处的待搭接零部件提供搭接位置；

确定纵向搭接通路的条数，以及与每条纵向搭接通路对应的横向分支，所述横向分支为横向搭接通路；

若横向分支的纵向搭接通路有n条，构建所述横向分支的几何模型，横坐标分别为P₁，P₂，P₃，…P_n，其中，P₁≤P₂≤…≤P_n；

若n为奇数，则横向分支总长的最小值

f_min(X)＝f(P_(n+1)/2)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_(n+1)/2+1-P_(n+1)/2-1)；

若n为偶数，则f_min(X)＝f(P)＝(P_n-P₁)+(P_n-1-P₂)+…+(P_n/2+1-P_n/2)，其中，P_n/2≤P≤P_n/2+1。