0 引言
防吹导流屏是保证飞机地面试车的重要设施，通常将其放置于喷气式飞机正后方适当位置，通过导流结构将飞机喷出的高温高速尾气导向空中，从而保障防吹导流屏后方的人员、车辆和物资安全。近代以来，世界各国已研发出多种类型的防吹导流屏投入军民飞机领域应用。但随着先进飞机的迅猛发展，所装配的发动机功率越来越大，使用模式也不断发生变化，传统的防吹导流屏已不能很好适应各类新型飞机的试车保障需求，其使用性能和使用模式亟需得到改进。 1 机场常见防吹导流屏类型
从材料上看，现行防吹导流屏主要有钢结构防吹导流屏、钢筋混凝土防吹导流屏和玻璃钢防吹导流屏等类型。钢结构防吹导流屏造型美观、布置灵活、建设方便，钢筋混凝土防吹导流屏经济实用。目前，国外防吹导流屏多为钢结构，其中镀锌钢由于高强度和防腐蚀性成为应用最广泛的防吹导流屏材料。玻璃钢由于材料性能良好，而且不会对信号造成干扰，也受到一定程度的青睐。 从结构形式上来看，常见的钢结构防吹导流屏又可分为板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏（见图1）等类型[1]。板式防吹导流屏由导流板和支架组成，高温高速气流流经导流板后被导向空中；其中，导流板包括弧形板、平板和折板。格栅式防吹导流屏由导流片和支架组成，导流片具有一定的导流角度（弧度），让高温高速气流经过导流片向后上方偏转扩散。
2 防吹导流屏发展现状
2.1 国外防吹导流屏发展现状
国外防吹导流屏以钢结构防吹导流屏居多，普及率高、种类多样、性能先进、针对性好，广泛应用于歼击机、运输机、轰炸机和民航客机等军民用飞机的试车保障。
航空母舰上的防吹导流屏采用了平板式钢结构导流板，其导流板表面涂有耐高温隔热涂层、内部装有循环冷却系统以应对近距离高温冲击，支架由多组液压作动筒构成以便于随时升降和应对近距离大推力冲击，地基则是与坚固的航空母舰甲板融为一体。
军用机场的固定板式防吹导流屏通常采用了平板式钢结构导流板，表面涂有耐高温隔热涂层，普遍强度好，能够满足新型战机近距离试车保障的要求，如用于美国F-35、F-22等飞机地面试车。
民用机场的固定板式防吹导流屏则以平板式钢结构和弧形板式钢结构导流屏居多，主要用于满足民航客机试车保障需求，性能通常低于军用的防吹导流屏，使用间距更远，安装尺寸更大，耐受温度和抗吹强度也相对较弱。
21世纪初美国和加拿大的一些公司开始研究使用玻璃钢作为防吹导流屏材料，并在多个大型国际机场进行了实地建造。
2.2 国内防吹导流屏发展现状
我国防吹导流屏的研究起步较晚，以固定式混凝土防吹导流屏和固定式钢结构防吹导流屏为主。其中，固定式混凝土防吹导流屏主要用于歼击机试车导流保障，固定式钢结构防吹导流屏主要用于民航客机试车导流保障。
国内固定式混凝土防吹导流屏主要包括混凝土防吹导流墙和固定折板式混凝土防吹导流屏两大类。混凝土防吹导流墙建设年代较早，主体尺寸小、配置数量少，主要针对早期单发喷气式战机试车保障，在高度上和长度上都不适合现代新型战机使用，高温高速气流不能被全部导流偏转。固定折板式混凝土防吹导流屏，由混凝土导流板主体、钢筋混凝土支架和混凝土地基组成，在长度方向可以无限连接，但其自身重量以及抗吹载荷全部集中于钢筋混凝土支架，使钢筋混凝土支架受力加剧，在巨大的偏转力矩作用下存在被吹翻倒塌的安全隐患，不能满足新型战机的试车保障需求。
国内固定式钢结构防吹导流屏有板式和格栅式两种结构，主要用于民用飞机试飞保障和航母舰载机试飞保障。民用级固定式钢结构防吹导流屏的发展方式主要是“引进、消化、再创新”，总体来说能够满足各型民航客机的试车保障要求，但仍然存在耐受温度低、抗吹能力弱等局限性，不适合用于新型战机试车保障。我军部分场站也直接将民用级固定式钢结构防吹导流屏用于大型运输机的防吹导流保障。
20世纪90年代，首都机场引进了固定弧形板式钢结构防吹导流屏，由中德合资企业Ameco（北京飞机
修理公司）和厦门合资企业（厦门太古飞机工程公司）联合建造，建成后能够满足民航客机试车保障需求。2006年，张家港鹏程航空设备公司在国内第一次采用微穿孔吸声结构亥姆霍兹组合共振器和吸声隔声材料联合配置，在海南航空公司美兰机场设计和制造了新一代具有气流导流和降噪功能的设施，并在民航系统内召开了飞机地面试车设施研究会和设施验收会。美兰机场导流屏表面层为不锈钢微穿孔板，穿孔板后
防吹导流屏发展现状及设计特点分析
王海常1 解玉范2 吴银光1 王亚茹1
（1.空军研究院工程设计研究所，北京 100068；2.空军后勤保障部机场保障局，北京 100071）
摘 要：防吹导流屏是喷气式飞机地面试车的重要保障装备，对保护试车场地人、车、物安全和维持飞机最佳工作状态具有重要意义。该文从常见结构形式、常用主要材料、国外军民用领域使用情况、国内军民用领域使用情况等方面对防吹导流屏发展现状进行了阐述，从导流效果仿真、结构应力计算、材料选型等方面对防吹导流屏设计特点进行了对比分析，可为防吹导流屏后续研究与设计提供参考建议。
关键词：防吹导流屏；发展现状；导流效果；名义应力；材料选型
中图分类号：U 417.9 文献标志码：A
部采用吸音隔声阻燃材料。试验结果表明，气流导流效果较好，导流屏后部及两侧为安全区。2017年，广州白云国际机场GAMECO 飞机试车降噪导流屏导流加强及修复工程，经B777机型宽体客机试吹验证后，降噪导流效果和结构强度达到设计要求，U 型气流导流屏由特制弧形钢结构架组成，垂直高度为5.78 m，导流屏模块材料采用了不锈钢微穿孔板、防水阻燃吸声棉和镀锌彩钢板。
为了满足航母舰载机的起飞需求，我国也研制了安装于航母的固定平板式钢结构可升降防吹导流屏，其导流屏主体采用了加强耐高温钢板，表面涂有耐高温隔热涂层，内部加装了循环水冷却系统，可承受新型战机近距离高温高速气流冲击，是我国最先进的固定平板式钢结构防吹导流屏。
2.3 国内外防吹导流屏水平对比
对国内外常用防吹导流屏的基本信息进行统计（见表1），从结构类型、保障对象和安全性等方面进行对比分析，结果如下。
从导流屏结构类型上看，国外防吹导流屏按照用途细分原则研发了多种构型产品，不同的机型都能选配到合适的防吹导流屏，不同的机场也可根据自身布局对防吹导流屏进行灵活的布局调整，已经能够做到“择优而用”。我国则以固定式混凝土防吹导流屏和固定式钢结构防吹导流屏为主，很多机场仍然缺少防吹导流屏，整体处于“有啥用啥”的情况，缺少可选择的空间。
从保障对象上看，国外对舰载战斗机使用的超近距离防吹导流屏、陆基战斗机使用的中近距离防吹导流屏和大型喷气式飞机使用的远距离防吹导流屏都有比较充分的研究和应用，各机场的防吹导流保证设备配置齐全，各类飞机可根据需要选择适用的防吹导流屏产品。我国对舰载机用防吹导流屏进行了专项开发研究，已能够满足舰载机使用需求；对陆基战斗机使用的中近距离防吹导流屏和大型军用飞机使用的大吹力远距离防吹导流屏的研究和应用很少，防吹导流性能较差，装配数量严重不足，从性能上和数量上都不能满足我国新型战机的防吹导流保障需求。
从安全性上看，我国目前中近距离防吹导流屏目前仍然以固定混凝土防吹导流墙和固定折板式混凝土防吹导流屏为主，修建年代较早，抗吹能力较弱、耐高温能力弱，不能满足后续新型战机试车导流保障要求。
表1
国内外防吹导流屏对比汇总表
序号区域用途导流结构主材保障对象使用距离循环冷却隔热措施耐受温度抗吹能力1国外军用平板高温合金舰载机很近水冷涂层很高很强2平板高温合金歼击机近—涂层很高强3国外民用
弧形不锈钢大型飞机远——中一般4弧形玻璃钢大型飞机远——中一般6平板不锈钢大型飞机远——中一般7格栅不锈钢大型飞机远——中一般8国内军用平板合金钢舰载机很近水冷涂层很高很强9弧形混凝土早期战机近——高很强10折板混凝土歼击机较远——中一般11格栅不锈钢歼击机近——高强12国内民用
平板不锈钢大型飞机远——中一般13
格栅
不锈钢
大型飞机
远
—
—
中
一般
3 设计特点分析
从国内外防吹导流屏发展现状来看，当前主流的防吹导流屏设计构型主要有板式和格栅式两种类型，这两种设计构型各有侧重，都衍生出了多种实用产品。该文以板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏为分析比较对象，从导流效果、结构应力和材料选型三个方面进行分析和比较。
3.1 导流效果分析
以双发战斗机高温高速尾喷气流为输入条件，利用Fluent 仿真工具，按照质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程，对平板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏进行导流效果仿真分析。
分别建立平板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏三维简化模型，设置长度20 m、高度4 m、厚度3 m，倾斜角度向后60°（见图2）。
以小涵道比航空涡扇发动机参数为输入条件，以50 ℃为温度场边界，以七级风17.1 m/s 为速度场边界，建立高温高速尾气速度场和温度场模型（见图3）。
以双发战斗机全加力状态参数对板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏分别进行导流效果仿真分析，设置发动机间距2.6 m，离地高度2.1 m，喷口直径1.1 m，单发喷口总压2.5 atm，总温2 200 K，距离防吹导流屏25 m。
仿真结果（如图4、图5所示）显示，高温高速气流能够均匀流过格栅式防吹导流屏，而后以大角度向天空偏转，其偏转角度可通过改变导流片相对位置进行调整和控制；高温高速气流经过平板式防吹导流屏后，其向天空偏转的角度明显低于格栅式防吹导流屏且其偏转角度难以进行控制和
图１ 平板式防吹导流屏（左）和格栅式防吹导流屏（右）
调整。
3.2 结构应力分析
以小涵道比航空涡扇发动机最大推力为设计输入，按防吹导流屏每延米承受3 t 推力加载（3倍安全系数），采用有限元软件MSC.Patran/Nastran 对平板式防吹导流屏结构单元和格栅式防吹导流屏结构单元进行结构应力分析。
建立平板式防吹导流屏结构单元离散简化模型（见图6），设置导流板向后倾斜60°，导流板长度6 m，厚度5 mm，加强框厚度5 mm，立柱厚度8 mm，撑杆厚度8 mm，材料弹性模量200 GPa，泊松比0.3。对导流板均匀施加18 t 气流压力载荷，对底座安装点进行6自由度约束。通过有限元线性求解算得平板式防吹导流屏面板最大应力119 MPa，加强
框最大应力283 MPa，立柱及撑杆最大应力43.9 MPa，其应力云图如图6所示。
建立格栅式防吹导流屏结构单元离散简化模型（见图7），设置导流主体结构单元长度6 m，向前倾斜60°，导流片厚度10 mm、加强框厚度9 mm，立柱厚度6 mm，撑杆厚度6 mm，材料弹性模量200 GPa，泊松比0.3。对导流板均匀施加18 t 气流压力载荷，对底座安装点进行6自由度约束。通过有限元线性求解算得平板式防吹导流屏导流片最大应力252 MPa，加强框最大应力261 MPa，立柱及撑杆最大应力43 MPa，其应力云图如图7所示。
通过有限元对平板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏名义应力对比分析可知，在保证战斗机型号、布置距离等相同的条件下，平板式防吹导流屏和格栅式防吹导流屏承受的最大应力均出现在加强框处且最大应力值比较接近。
3.3 材料选型分析
3.3.1 材料选型原则
防吹导流屏长期应对高温高速气流冲击，工作环境恶劣，其材料选型不仅要满足严酷的使用要求，还应该能保证工艺性能，并且兼顾生产成本。
防吹导流屏材料选型的基本要求包括机械性能、化学性能、温度特性、重量、刚度、疲劳特性以及抗腐蚀特性等。在确定材料使用要求时，先要梳理防吹导流屏的工作环
图2 平板式防吹导流屏（左）和格栅式防吹导流屏（右）三维简化模型
图4 经格栅式防吹导流屏导流后的尾气温度场（左）和速度场（右）
图3 航空涡扇发动机高温高速尾气温度场（上）和速度场（下）
550℃
50℃
24.5m/s 17.1m/s
高温高速尾气温度场高温高速尾气温度场
3m
3m
境（如工作温度、工作介质、腐蚀情况等）、受力情况（如载荷性质、分布形式、应力状态等）以及有无特殊要求（如导电、热膨胀、外观等）。
材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能、热处理工艺性能等，有的特殊材料还具有特殊工艺性能。工艺性能是否满足，直接影响到是否能够加工出合格的防吹导流屏产品。通常情况下，各类钢材的工艺性能都比较好，可选范围广，这也是国外防吹导流屏大部分采用钢材的原因之一。
除了使用要求和工艺性能之外，成本也是防吹导流屏选型的重要参考因素之一。综合来看，材料成本可占产品的30%~70%，不同材料的价格也随时间和行情不断变动，材料成本也应该是防吹导流屏设计过程中需要考虑的重点。
航空母舰模型3.3.2 常用材料
可用于制作防吹导流屏的复合材料有玻璃纤维（见表
2）、碳纤维（见表3）等。玻璃纤维具有高强度、高模量、抗老化、价格低等优点，广泛应用于航空航天领域。碳纤维的优点是高强度、高模量、低密度、抗疲劳性能好、耐热性好，其比强度、比模量远高于高强合金钢和铝合金，高温下力学性能仅有少许下降，其缺点是性脆、抗冲击和高温抗氧
化性差。
不锈钢（见表4）具有力学性能好、耐高温、耐腐蚀、易加工、经济性好等优点，是工业领域应用最广泛的材料，也是防吹导流屏应用最理想的材料之一。当使用距离较远、耐受温度低于300℃、腐蚀防护要求不高时，防吹导流屏可以选用45
号结构钢，表面涂以抗腐蚀、耐冲刷油漆层予以保护，兼顾使用性能和经济性；当使用距离较近、耐受温度高低于500 ℃、气流冲击力大且有一定腐蚀防护要求时，防吹
图5 经平板式防吹导流屏导流后的尾气温度场（左）和速度场（右）
表2 S 玻璃纤维的性能指标
纤维项目
高强2#高强4#法国R 美国 S994俄BMNC 新生态单丝强度/MPa 4 020 4 600 4 400489~4 5805~4 500拉伸弹性模量/MPa 83868485 ~8795断裂伸长率/%— 5.3— 5.4—密度/（g/cm 3） 2.54 2.53 2.55 2.49
2.56热膨胀系数/（×107/℃）
—
29
90
—
—
表3
碳纤维的性能指标
牌号每束纤维根数拉伸强度/MPa 拉伸弹性模量/GPa 断裂伸长率/%纤度/tex 密度/（g/cm 3）生产厂家
T300 1 000~12 000 3 500230 1.566~800 1.76日本东丽T700SC 1 200~24 000 4 900230 2.1800~1 650 1.80T800HB 6 000~12 000 5 490294 1.9223~445 1.81T1000GB 12 000 6 370294 2.2485 1.80AS4 3 000~12 000 4 278228 1.87210~858—美国Hexcel
IM7
12 000
5 760
292
2.0
446
—
图6 平板式防吹导流屏结构边界模型（左）及应力云图（右）
0 引言
随着我国探月工程的持续开展，钻进式采集月壤颗粒已成为现实。钻进式采样器是月壤采样的必要机构，采样器的功耗、取心率和可靠性均是成功完成采样的重要保障。我国哈尔滨工业大学、北京卫星制造厂、中国地质大学等单位也一直进行月壤采样设备的研究，中国矿业大学的殷参[1]研究了月壤采样器钻进动力学分析与实验，哈尔滨工业大学的
[2]研究了采样机构动力学特性，
优化了采样机构结构参数，在设计过程中仅考虑了冲击特性，选择了摆线型运动规律作为冲击凸轮的廓线。结合中美两国探月过程中的实地观测结果，月壤的颗粒粒径分布不同，依据取心钻钻头直径，可将月壤颗粒归类为大尺度颗粒、临近尺度颗粒和小尺度颗粒，其中临界尺度颗粒粒径定义为0.1~0.5倍钻头直径[3]。通过前序研究发现，钻进式采样器采集大尺度颗粒和小尺度颗粒效果较好，但在采集临界尺度颗粒及聚集区时，容易出现取心率低、排屑困难等情况。该文针对课题组研究解决临界尺度颗粒采样问题，充分考虑采样器须结构轻便、具有冲击钻机功能，进而对冲击凸轮的工况分析，合理确定凸轮廓线
冲击驱动机构中凸轮廓线选择对运动
的参数影响
关祥毅 田 野 刘义翔
（哈尔滨商业大学轻工学院，黑龙江 哈尔滨 150076）
摘 要：为了提高月壤中临界尺度颗粒的钻进取心效率，月壤采样机构中增加了冲击破碎功能，用来配合钻头回转钻进，辅助破碎提取月壤颗粒。该文对月壤取心钻进系统中的冲击驱动机构进行了结构分
析，着重研究了冲击凸轮廓线选择对冲击运动参数的影响。对比了单一五次多项式、摆线运动规律、改进型五次多项式和摆线运动规律凸轮廓线对单次冲击功的影响，为冲击钻进驱动机构设计提供相关参考。关键词：临界尺度颗粒；冲击驱动机构；凸轮廓线；冲击功中图分类号：P 624.4 文献标志码：A
导流屏可以选用304不锈钢，侧重于使用性能，增加一定经济成本；当使用距离较近、耐受温度低于500 ℃、气流冲击力大且腐蚀防护要求较高时，防吹导流屏可以选用316L 不锈钢，兼顾力学性能和腐蚀防护要求；当使用距离很近（例如航母甲板上）时，战斗机喷出的气流温度远超出普通不锈钢的耐受要求，应选用更高级别的耐高温合金，表面涂覆绝热涂层，内部设置冷却循环系统，并且对使用时间和频率进行合理安排和控制。
4 结语
防吹导流屏是飞机试车过程中保护人车物安全、保持
飞机最佳工作状态的重要保障设备。我国防吹导流屏发展水平离国外发展水平还有一定差距，在装配数量、导流性能、使用模式和建设周期等方面还不能满足我国快速增长的飞
机试车导流保障需求。随着未来我国军用和民用飞机性能发展，研究人员应该提升防吹导流屏实用性
能、优化使用模式、缩短建设周期、加快应用部署，为促进我国军民用飞机快速发展而做好相应的试车保障准备。
参考文献
[1]王海服.不同形式导流屏导流效果数值模拟[J].空军工程大学学报，2012，13（2）：16-19.
图7 格栅式防吹导流屏结构边界模型（左）及应力云图（右）
表4 常见不锈钢材料性能指标
材料熔点/℃耐腐蚀性能力学性能市场价/（元/t）常温时550℃时45号结构钢
大约为1 495不好σb ≥450 MPa σb ≥300 MPa 7 000321不锈 1 400~1 425良好σb ≥540 MPa σb ≥392 MPa 20 000304不锈钢 1 398~1 454良好σb ≥490 MPa σb ≥363 MPa 15 000316L不锈钢 1 398~1 454优秀σb ≥510 MPa σb ≥383 MPa 22 00030CrMnSiA
大约为1 500
一般
σb ≥1 055 MPa σb ≥530 MPa
15 000
豫公网安备41160202000603
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