民用飛機(jī)高升力操縱機(jī)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)體系

楊萬里

【摘 要】現(xiàn)代民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般采用“主制造商-供應(yīng)商”模式。在設(shè)計(jì)之初，由主制造商向供應(yīng)商提供操縱機(jī)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)要求，然后由供應(yīng)商進(jìn)行操縱機(jī)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞、損傷容限、動(dòng)強(qiáng)度等強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。本文介紹了民用飛機(jī)高升力操縱機(jī)構(gòu)的載荷設(shè)計(jì)體系，可用于民用飛機(jī)高升力操縱機(jī)構(gòu)載荷需求定義工作。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；高升力；操縱機(jī)構(gòu)；載荷

0 引言

現(xiàn)代民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一般采用“主制造商-供應(yīng)商”模式，這種模式下強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作的核心是設(shè)計(jì)載荷的定義。

作為所有強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷是最重要也是最基本的設(shè)計(jì)需求之一。在設(shè)計(jì)之初，由主制造商向供應(yīng)商提供載荷設(shè)計(jì)要求，供應(yīng)商才能進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞、損傷容限、動(dòng)強(qiáng)度等各種強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。

1 高升力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

民用飛機(jī)高升力系統(tǒng)一般由前緣縫翼系統(tǒng)和后緣襟翼系統(tǒng)組成，每塊襟/縫翼活動(dòng)面一般由兩個(gè)或更多作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

按模塊功能不同，可將高升力系統(tǒng)分為：活動(dòng)面、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、和操縱機(jī)構(gòu)。在目前主流的“主制造商+供應(yīng)商”制造模式中，活動(dòng)面和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常由主制造商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，而操縱機(jī)構(gòu)通常由系統(tǒng)供應(yīng)商負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)指高升力活動(dòng)面的支持結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)約束結(jié)構(gòu)。如A320采用的曲柄-滑軌式襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖1所示）中，滑軌提供垂直于滑軌上表面的支持/約束，曲柄-搖臂提供沿滑軌平面的平動(dòng)支持/約束和沿襟翼轉(zhuǎn)軸（滑輪架鉸鏈點(diǎn)）的扭轉(zhuǎn)支持/約束。

操縱機(jī)構(gòu)為高升力活動(dòng)面收放運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力輸出。典型操縱機(jī)構(gòu)（如圖2所示）為機(jī)械傳動(dòng)裝置，沿機(jī)翼前/后梁布置，并由機(jī)腹下的動(dòng)力輸出單元提供動(dòng)力輸出。操縱機(jī)構(gòu)包含襟/縫翼操縱手柄（駕駛艙內(nèi)）、高升力控制計(jì)算機(jī)、動(dòng)力輸出單元、扭力管、角齒輪箱、軸承式支撐座、作動(dòng)器、傾斜傳感器、位置傳感器、翼尖剎車裝置（可選）等功能部件和模塊。

操縱機(jī)構(gòu)中的作動(dòng)器輸出軸設(shè)計(jì)有花鍵，與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中曲柄起始端花鍵相配合，實(shí)現(xiàn)二者之間的固連。

當(dāng)高升力活動(dòng)面有驅(qū)動(dòng)需求時(shí)，由駕駛員推動(dòng)襟/縫翼操縱手柄發(fā)出操作指令，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)由高升力控制計(jì)算機(jī)控制動(dòng)力輸出單元輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，經(jīng)由扭力管組件（扭力管、角齒輪箱）傳遞到作動(dòng)器，最后由作動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為襟/縫翼活動(dòng)面的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)高升力活動(dòng)面運(yùn)動(dòng)到指定卡位之后，動(dòng)力輸出單元不再輸出扭矩，而由不可逆裝置或翼尖剎車等提供活動(dòng)面氣動(dòng)載荷的平衡力矩，保證襟縫翼活動(dòng)面不會(huì)逆向運(yùn)動(dòng)。

2 高升力操縱機(jī)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)體系

系統(tǒng)供應(yīng)商在設(shè)計(jì)高升力操縱機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部件時(shí)，要求主制造商至少應(yīng)提供靜載荷、動(dòng)載荷、耐久性/疲勞載荷、次承力部件設(shè)計(jì)載荷等4類載荷。

2.1 靜載荷

高升力系統(tǒng)靜載荷指用于靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的載荷，一般包含6種載荷：操縱載荷、強(qiáng)度載荷、故障載荷、交聯(lián)載荷、加速度環(huán)境載荷、墜撞安全試驗(yàn)中的持續(xù)加速度試驗(yàn)載荷。

2.1.1 操縱載荷

高升力活動(dòng)面收放過程中，由動(dòng)力輸出單元提供活動(dòng)面氣動(dòng)載荷及其他增量載荷的支反力矩，稱為高升力操縱機(jī)構(gòu)操縱載荷，一般表征為載荷-襟/縫翼偏角曲線。

高升力活動(dòng)面收放過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，動(dòng)力輸出單元的輸出扭矩為活動(dòng)面上操縱情況氣動(dòng)載荷、機(jī)構(gòu)摩擦載荷、縫翼結(jié)冰載荷、及由前緣防冰管伸縮引起載荷的平衡載荷。操縱載荷影響甚至決定整個(gè)高升力作動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比、耗能需求（電力或液壓）、收放時(shí)間等系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.1.2 強(qiáng)度載荷

當(dāng)高升力活動(dòng)面達(dá)到指定卡位之后，由不可逆裝置提供活動(dòng)面氣動(dòng)載荷的支反力矩，該支反力矩一般稱為高升力操縱機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度載荷。

2.1.3 故障載荷

故障載荷是指機(jī)械故障情況下高升力操縱機(jī)構(gòu)需要承受和傳遞的載荷。這里所指的機(jī)械故障大體上可分為斷離和卡阻兩類；有可能發(fā)生在操縱機(jī)構(gòu)內(nèi)部，也有可能發(fā)生在外部相關(guān)的傳力路徑上，如：襟翼曲柄-搖臂發(fā)生斷離，襟翼活動(dòng)面發(fā)生卡阻。

由于故障情況是一種小概率事件，因此任何故障載荷都需配合故障概率使用，故障概率由全機(jī)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)分析確定。故障概率主要是影響故障載荷的安全系數(shù)，具體要求見強(qiáng)度專用條件SC A002[1]。

2.1.4 交聯(lián)載荷

如沒有單獨(dú)設(shè)計(jì)襟翼交聯(lián)機(jī)構(gòu)，則高升力操縱機(jī)構(gòu)還應(yīng)考慮CCAR25.701規(guī)定的襟翼交聯(lián)載荷[2]。

2.1.5 加速度環(huán)境

加速度環(huán)境來源于全機(jī)動(dòng)/靜過載包線，以6個(gè)方向的載荷系數(shù)進(jìn)行表征，用于進(jìn)行加速度環(huán)境分析和試驗(yàn)，考核機(jī)載設(shè)備承受預(yù)計(jì)使用加速度環(huán)境的能力，需確保在此環(huán)境下設(shè)備結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生失效。

2.1.6 墜撞安全試驗(yàn)中的持續(xù)加速度試驗(yàn)載荷

墜撞安全試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱蓑?yàn)證某些特定設(shè)備在應(yīng)急著陸期間是否會(huì)與其安裝支架分離或設(shè)備自身發(fā)生解體，應(yīng)用于應(yīng)急著陸期間與安裝支架分離或自身解體后可能危及乘員、燃油系統(tǒng)或應(yīng)急撤離裝置安全的設(shè)備。其中的持續(xù)加速度試驗(yàn)載荷作為一種靜載荷處理。

2.2 動(dòng)載荷

高升力系統(tǒng)動(dòng)載荷指用于動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的載荷，一般包含6種載荷：功能振動(dòng)試驗(yàn)載荷、耐久振動(dòng)試驗(yàn)載荷、高量值振動(dòng)試驗(yàn)載荷（如需）、風(fēng)車環(huán)境試驗(yàn)載荷（如需）、功能沖擊試驗(yàn)載荷、墜撞試驗(yàn)中脈沖試驗(yàn)載荷，具體可參考RTCA DO-160G的相關(guān)規(guī)定[3]。

2.2.1 功能振動(dòng)試驗(yàn)載荷

功能振動(dòng)試驗(yàn)載荷考核設(shè)備在正常飛行振動(dòng)環(huán)境條件下能否滿足功能要求。

2.2.2 耐久振動(dòng)試驗(yàn)載荷

耐久振動(dòng)試驗(yàn)載荷考核設(shè)備在承受持久的振動(dòng)條件下能否繼續(xù)良好工作，滿足振動(dòng)疲勞的要求。耐久振動(dòng)試驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的完整性。

2.2.3 高量值振動(dòng)試驗(yàn)載荷

高量值振動(dòng)試驗(yàn)載荷考核設(shè)備在非正常飛行振動(dòng)環(huán)境條件下（發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片飛出）能否滿足功能要求。高量值試驗(yàn)適用于如果功能損失會(huì)危及飛機(jī)性能的設(shè)備。高量值試驗(yàn)不能取代功能振動(dòng)試驗(yàn)和耐久振動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)具體飛機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可選擇或不選擇進(jìn)行高量值振動(dòng)試驗(yàn)。

2.2.4 風(fēng)車環(huán)境試驗(yàn)載荷

在風(fēng)車狀態(tài)下，針對(duì)持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡這一特定風(fēng)險(xiǎn)（FAA AC25-24持續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡），對(duì)于一些影響飛機(jī)繼續(xù)飛行安全及著陸的至關(guān)重要的設(shè)備，需進(jìn)行風(fēng)車振動(dòng)試驗(yàn)。風(fēng)車載荷考核設(shè)備在風(fēng)車振動(dòng)環(huán)境條件下能否滿足功能要求。根據(jù)具體飛機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可選擇或不選擇進(jìn)行高量值振動(dòng)試驗(yàn)。

2.2.5 功能沖擊試驗(yàn)載荷

功能沖擊試驗(yàn)用于驗(yàn)證機(jī)載設(shè)備在承受飛機(jī)正常飛行過程中所遇到的沖擊時(shí)能否保持正常工作狀態(tài)，包括飛機(jī)的正?；?、著陸和可能的突風(fēng)狀態(tài)。

2.2.6 墜撞試驗(yàn)中脈沖試驗(yàn)載荷

墜撞試驗(yàn)中脈沖試驗(yàn)的目的同持續(xù)加速度試驗(yàn)，區(qū)別在于脈沖試驗(yàn)載荷為后峰鋸齒沖擊脈沖波。

2.3 耐久性/疲勞載荷

高升力操縱機(jī)構(gòu)耐久性/疲勞的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證機(jī)構(gòu)耐久性/疲勞壽命達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，期間使用的載荷分別稱為耐久性載荷和疲勞載荷。

2.3.1 耐久性載荷

耐久性載荷（又稱為動(dòng)疲勞載荷）描述起飛之前活動(dòng)面放下、起飛之后活動(dòng)面收上、著陸之前活動(dòng)面放下與著陸之后活動(dòng)面收上等四個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中高升力操縱機(jī)構(gòu)需要承受的載荷。耐久性載荷譜是在操作載荷的基礎(chǔ)上編制的。

2.3.2 疲勞載荷

當(dāng)活動(dòng)面到達(dá)指定卡位之后，各個(gè)任務(wù)剖面使用情況下的活動(dòng)面氣動(dòng)載荷一直在變化，造成高升力操縱機(jī)構(gòu)上的支反力矩發(fā)生變化，稱為高升力操縱機(jī)構(gòu)的疲勞載荷（又稱為靜疲勞載荷）。由于在疲勞載荷中的各個(gè)使用情況中襟/縫翼活動(dòng)面都不運(yùn)動(dòng)，疲勞載荷譜不受機(jī)構(gòu)摩擦影響。

2.4 次承力部件設(shè)計(jì)載荷

2.4.1 適航條款直接規(guī)定的載荷

高升力操縱手柄和高升力控制計(jì)算機(jī)為次承力結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)載荷由CCAR25部[2]直接規(guī)定。

1）高升力操縱手柄設(shè)計(jì)載荷

高升力操縱手柄屬于駕駛艙內(nèi)次操縱機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)載荷參考CCAR 25.405條款規(guī)定[2]。

2）高升力控制計(jì)算機(jī)的應(yīng)急著陸載荷

高升力控制計(jì)算機(jī)是一個(gè)集中質(zhì)量塊，其設(shè)計(jì)載荷是慣性載荷，可按實(shí)際情況考慮CCAR25.561規(guī)定的應(yīng)急著陸載荷[2]。

2.4.2 傳感器載荷

為保證高升力系統(tǒng)安全和飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全，高升力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)有大量的傳感器，如檢測(cè)左右機(jī)翼高升力活動(dòng)面不對(duì)稱量的位置傳感器、和檢測(cè)單塊活動(dòng)面傾斜量的傾斜傳感器。

高升力系統(tǒng)內(nèi)部各種傳感器均屬于次承力部件，適航條款未直接規(guī)定其設(shè)計(jì)載荷量級(jí)，其設(shè)計(jì)載荷往往來源于主制造商或系統(tǒng)供應(yīng)商的工程經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論

本文介紹了民用飛機(jī)高升力操縱機(jī)構(gòu)4類17種設(shè)計(jì)載荷，可用于民用飛機(jī)高升力操縱機(jī)構(gòu)載荷需求定義工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]SCA002，系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響專用條件[Z].

[2]CCAR-25-R4，中國民用航空規(guī)章第25部-運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].2011-11-7第四次修訂.

[3]RTCA DO-160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment， Dec. 8， 2010[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]