民用飛機鐵鳥機翼外段研究

陳騏 王興波 金學(xué)良 吳強 曾憲忠

摘 要：鐵鳥是民用飛機研制過程中關(guān)鍵試驗設(shè)施之一，主要用于民用飛機單系統(tǒng)及復(fù)雜交聯(lián)系統(tǒng)的研發(fā)和適航驗證，是集成試驗的重要組成部分。該文介紹了從滿足鐵鳥機翼外段的基本設(shè)計要求出發(fā)，綜合考慮設(shè)計基準、尺寸設(shè)計要求，材料選擇、安裝設(shè)計要求等因素，在設(shè)計與驗證階段，進行了自振頻率計算、靜強度計算等優(yōu)化設(shè)計。完成鐵鳥加工制造并開展了副翼舵面的頻響試驗，滿足設(shè)計要求，為后續(xù)試驗的開展和型號取證工作奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鐵鳥 適航驗證 機翼外段 頻響試驗

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0050-02

鐵鳥是用于飛控系統(tǒng)重要驗證平臺之一，鐵鳥綜合試驗也是系統(tǒng)集成試驗的重要組成部分。由于試驗條件與真實狀態(tài)接近，鐵鳥上各活動面的運動行程、速率可達到與飛機相同，從而，在地面模擬試驗臺上進行的系統(tǒng)試驗結(jié)果能反映飛機系統(tǒng)的運動性能。通過鐵鳥考核飛機在空載、加載、故障等不同狀態(tài)下，各系統(tǒng)（飛控、液壓、供配電等）的功能、性能是否符合設(shè)計指標和適航要求，為民用飛機的試飛和投入航線運營提供技術(shù)支撐。鐵鳥的設(shè)計是實現(xiàn)這些目標的前提。

1 鐵鳥機翼外段的基本設(shè)計要求

1.1 基準選取

設(shè)計基準為飛機機體坐標系，各部分設(shè)計以此為基準。弦線（弦平面和梁平面交線）和激光點作為安裝基準，相關(guān)要求需要在設(shè)計時考慮。機翼外段需要保證結(jié)構(gòu)試驗件安裝面，前后梁表面都采用了焊后加工面的方式保證光潔度和平面度。為了實現(xiàn)按飛機坐標系統(tǒng)準確安裝鐵鳥機翼及垂尾，可采取一些工藝手段，在鐵鳥機翼前、后梁平面及垂尾梁平面加工4～6個激光孔，分別在梁平面的弦線上及弦線外加工激光孔，以便保證鐵鳥機翼前、后梁安裝和調(diào)試。

1.2 尺寸設(shè)計要求

臺架需要盡可能真實地模擬飛機狀態(tài)，系統(tǒng)件、結(jié)構(gòu)件（支架和舵面等）、液壓管路、電纜等都采用了和飛機一致的真件，考慮到安裝與維護要求，鐵鳥機翼前后梁按飛機實際的機翼前后梁位置布置，關(guān)鍵尺寸按照與飛機1：1的比例設(shè)計。

1.3 臺架材料的選擇

鐵鳥結(jié)構(gòu)材料除要滿足使用上的機械性能，安裝制造的焊接性能、機械切削加工特性外，還要考慮材料的經(jīng)濟性，盡量采用貨架產(chǎn)品（槽鋼、角鋼、方管、板材）。考慮到機翼外段實際需求（強度、結(jié)構(gòu)形式），采用Q235低碳鋼作為主要材料（可用于替代飛機大部分鋁合金板材、型材的受力構(gòu)件），槽鋼作為機翼外段前后梁、選用板材作為前后梁連接件，方管作為立柱主體。

1.4 安裝設(shè)計要求

鐵鳥機翼外段設(shè)計需要考慮副翼的加載，除強度之外，由于加載作動器的安裝可能帶來與臺架干涉問題，依據(jù)原理圖以及作動器、加載接頭的尺寸結(jié)合鐵鳥機翼外段臺架對加載機構(gòu)做運動分析。

鐵鳥機翼外段設(shè)計還需要考慮結(jié)構(gòu)試驗件系統(tǒng)試驗件的安裝，試驗件大部分都直接安裝于前后梁上，以副翼為例，其含有5個懸掛支架與2個作動器支架，由于鐵鳥后梁采用的是槽鋼，表面精度不能保證，采用疊加一層安裝板，利用焊后加工的方式，保證平面度與粗糙度，真正做到與飛機設(shè)計一致。機翼外段設(shè)計還綜合考慮了管路、電纜、運動機構(gòu)的安裝、測試設(shè)備的使用，保證實用性。

1.5 臺架與地基預(yù)埋板的連接

臺架通過其每個立柱連接的預(yù)埋鋼板上焊接8個螺柱作整個立柱上下調(diào)節(jié)——無級調(diào)節(jié)，保證立柱上平面的同一水平面精度很高，該方案實施時需要立柱下法蘭需要二次灌漿。

2 設(shè)計與驗證

按照飛機設(shè)計要求，安裝全尺寸的試驗件之后臺架需要保證足夠的強度、剛度（包括臺架機翼外段的固有頻率），以保證安全（人身、設(shè)備、儀器等）。

鐵鳥機翼外段的設(shè)計需要考慮加載方式、加載點以及連接件/傳力件的安裝，同時加載載荷也是鐵鳥機翼外段強度設(shè)計的依據(jù)；舵面和作動器的支撐剛度需模擬飛機真實支撐剛度，可采用飛機真實舵面懸掛支臂和作動器支架來近似模擬支撐剛度。在詳細設(shè)計階段，進行了如下4種方案的詳細設(shè)計，見圖1。

強度計算結(jié)果表明，方案3和4（6根立柱、前后立柱加橫檔，加斜撐）的方式較好，考慮到美觀與實用性，選用方案4。對方案4做了一定的優(yōu)化（斜撐角度、橫檔大小法蘭、加載支撐），機翼外段自振頻率有了明顯的提高，各階自振頻率又遠離副翼旋轉(zhuǎn)頻率f1，滿足設(shè)計要求。

對機翼外段進行靜強度計算分析。依據(jù)設(shè)計行程，副翼上偏25°為臺架受力最嚴重情況，取安全系數(shù)為2，最大VON MISES應(yīng)力為233MPa，位于后梁腹板開口處。鐵鳥左機翼段外段選用材料為Q235，屈服極限為235MPa，強度極限為380MPa。因此機翼外段詳細設(shè)計方案結(jié)構(gòu)滿足靜強度要求。

鐵鳥臺架本體制造與安裝之后，再配套舵面、作動器、各系統(tǒng)試驗件、液壓源等，開展副翼舵面的頻率響應(yīng)試驗，來驗證剛度設(shè)計是否符合要求，試驗原理圖如圖2所示。

由動態(tài)信號分析儀35670A發(fā)出線性掃頻信號，信號的幅值為0.5°（舵面偏度，±0.5°范圍內(nèi)可調(diào)），信號的頻率范圍為0.1～40Hz （可提高頻率范圍下限至1Hz），線性掃頻，掃頻步長為0.1Hz，每個頻率點重復(fù)三個周期以上。信號經(jīng)作動系統(tǒng)控制柜發(fā)送指令操縱舵面運動，由數(shù)采測試傳感器為反饋信號，得到系統(tǒng)頻率特性。

依據(jù)某型號飛機主飛控系統(tǒng)作動器顫振抑制要求，在有且僅有一個作動器正常工作情況下，副翼旋轉(zhuǎn)頻率要求不小于f1。副翼掃頻過程中，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析在信號頻率達到26.6Hz及35.5Hz左右時，臺架有明顯的振動，因此實際機翼外段的一階頻率為26.6Hz，二階頻率為36.5Hz。經(jīng)分析， 26.6HZ3 結(jié)語

鐵鳥的研制、設(shè)計工作是和飛機的本體研制、設(shè)計工作密不可分的，并受其牽制和制約。鐵鳥機翼外段的研制、設(shè)計是一個循序漸進和逐步深化、細化的過程。在安裝各種飛行控制面、飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等以及自身臺架安裝時，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，該研究對指導(dǎo)臺架設(shè)計工作具有重要的工程實踐意義。

參考文獻

[1] 張呂泉.支線飛機的鐵鳥臺架介紹[J].民用飛機設(shè)計與研究，2007（3）：39-48.

[2] 飛機設(shè)計手冊總編委會.飛機設(shè)計手冊（第12冊）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[3] 孫運強.大型民用飛機電傳飛控系統(tǒng)驗證技術(shù)研究[J].民用飛機設(shè)計與研究，2012（3）：8-13，21.

[4] 劉彥生，黃建國.民機高升力系統(tǒng)操作試驗的符合性驗證和設(shè)計方法研究[J]. 航空工程進展，2012（1）：125-130.