艙門載荷的飛行實(shí)測

劉敬禮張 麗

1.中國飛行試驗研究院飛機(jī)所；2.中航工業(yè)一飛院適航技術(shù)所

艙門載荷的飛行實(shí)測

劉敬禮1張 麗2

1.中國飛行試驗研究院飛機(jī)所；2.中航工業(yè)一飛院適航技術(shù)所

某飛機(jī)艙門是由電液伺服裝置驅(qū)動的，艙門載荷飛行實(shí)測是驗證和優(yōu)化艙門設(shè)計載荷的重要依據(jù)，考慮艙門具體結(jié)構(gòu)，將艙門開啟后的飛行載荷測量轉(zhuǎn)變成艙門驅(qū)動裝置輸出軸的載荷測量。本文主要采用常規(guī)應(yīng)變電測法結(jié)合導(dǎo)電滑環(huán)的方法進(jìn)行測量，并介紹艙門驅(qū)動裝置輸出軸的載荷標(biāo)定試驗方法、試驗結(jié)果以及飛行實(shí)測結(jié)果情況。

為驗證某型機(jī)艙門部件在開啟和關(guān)閉過程中艙門飛行載荷的風(fēng)洞試驗結(jié)果，采用應(yīng)變電測法，在艙門驅(qū)動裝置輸出軸上改裝應(yīng)變計電橋，將艙門飛行載荷轉(zhuǎn)換成艙門驅(qū)動裝置輸出軸扭矩載荷，通過載荷地面標(biāo)定試驗和飛行試驗來測量輸出軸上的扭矩載荷。本文主要介紹輸出軸的扭矩載荷飛行測量方法、地面載荷標(biāo)定試驗以及飛行試驗的實(shí)測結(jié)果。

艙門載荷標(biāo)定試驗

艙門結(jié)構(gòu)

本次試驗的原型為多旋臂支撐艙門，如圖1所示，通過驅(qū)動裝置來實(shí)現(xiàn)艙門的開閉，驅(qū)動裝置位于第二、三旋臂之間，旋轉(zhuǎn)作動器連接傳動軸（或驅(qū)動軸）和旋臂。在艙門開閉過程中，艙門承受的氣動載荷始終與驅(qū)動裝置的輸出扭矩平衡。

測量原理

旋轉(zhuǎn)部件的飛行載荷測量，與固定部件的載荷測量使用的基本原理一致，最簡單可靠的就是傳統(tǒng)的應(yīng)變電測法。在驅(qū)動裝置輸出軸上粘貼應(yīng)變計，感受輸出軸傳遞給艙門的扭矩載荷。根據(jù)機(jī)上真實(shí)狀態(tài)將旋臂、旋轉(zhuǎn)作動器、傳動軸、輸出軸安裝于系統(tǒng)試驗臺上，如圖2所示?？紤]艙門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在載荷標(biāo)定試驗時將其簡化為不帶艙門的四個旋臂。通過作動筒對四個旋臂的末端進(jìn)行加卸載，以模擬艙門氣動載荷的作用。

測量的難點(diǎn)在于如何安全可靠的把旋轉(zhuǎn)件上的測量信號傳遞出來。目前常用的有兩種方法：1）無線信號發(fā)射接收裝置。需在旋轉(zhuǎn)部件上安裝無線發(fā)射裝置（無線電或紅外通信），對安裝空間有特殊需求，并且可能受載機(jī)上其它信號的干擾，發(fā)射裝置在跟隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，會造成接收裝置收到的信號強(qiáng)度發(fā)生變化，有時甚至?xí)バ盘枺?）導(dǎo)電滑環(huán)。類似定子和轉(zhuǎn)子的關(guān)系，轉(zhuǎn)子隨軸轉(zhuǎn)動，通過刷絲或刷片將信號傳遞給定子，如圖3所示。因滑環(huán)的接觸部分不斷摩擦，導(dǎo)致其接觸電阻的變化和使用壽命的降低，影響信號傳遞的精度等。通過適當(dāng)減小接觸電阻并保持穩(wěn)定，可以顯著提高滑環(huán)信號的傳輸精度。

圖1 艙門結(jié)構(gòu)

本文將導(dǎo)電滑環(huán)和應(yīng)變電測相結(jié)合來測量旋轉(zhuǎn)軸的載荷，如圖4所示。在驅(qū)動裝置輸出軸的適當(dāng)部位粘貼四片應(yīng)變計，按惠斯登電橋的全橋方式連接。該種應(yīng)變計電橋的優(yōu)點(diǎn)是：1）具有良好的溫度補(bǔ)償功能；2）能夠消除彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力的影響。

圖2 試驗加載設(shè)備

圖3 導(dǎo)電滑環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖4 導(dǎo)電滑環(huán)的應(yīng)變電測法

試驗設(shè)備和方法

試驗設(shè)備為艙門驅(qū)動裝置生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)試驗臺，在作動筒末端安裝載荷傳感器，可以得知施加的標(biāo)定載荷。本次除了進(jìn)行艙門的靜態(tài)標(biāo)定，還嘗試進(jìn)行了艙門開關(guān)過程中的動態(tài)標(biāo)定。載荷標(biāo)定試驗時考慮艙門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其簡化為不帶艙門的四個旋臂。通過作動筒對四個旋臂的末端進(jìn)行加卸載。

圖5 載荷－應(yīng)變響應(yīng)曲線

圖6 載荷－應(yīng)變時間曲線

圖7 100%動態(tài)加載過程的載荷應(yīng)變曲線

1）靜態(tài)標(biāo)定：模擬飛行中艙門最大開度時承受的氣動載荷。將輸出軸安裝到系統(tǒng)試驗臺上，將艙門開度保持在最大，在不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，進(jìn)行靜態(tài)載荷的開、關(guān)門方向的分級加卸載的標(biāo)定試驗（關(guān)門方向加載為負(fù)，開門方向加載為正）；

2）動態(tài)標(biāo)定：模擬飛行中艙門的開、關(guān)全過程。將輸出軸安裝到系統(tǒng)試驗臺上，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，進(jìn)行靜態(tài)載荷的開、關(guān)門方向的加卸載。具體方法：先施加某量級的載荷，且保持載荷不變的前提下將旋臂旋轉(zhuǎn)，記錄此過程的應(yīng)變、載荷數(shù)據(jù)。加載順序為：先施加開門方向某臺階載荷并保持，然后關(guān)、開門方向各旋轉(zhuǎn)兩次，再進(jìn)行下一臺階載荷的加載，依次進(jìn)行開門方向和關(guān)門方向的加卸載。

圖8 Hp=11km，平飛Ma=1.46，開艙門

標(biāo)定試驗數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)

由載荷－應(yīng)變電橋的響應(yīng)曲線可以看出，如圖5所示，艙門最大開度時，在使艙門打開方向加、卸載過程中，載荷－應(yīng)變曲線存在滯回環(huán)，但整體還是呈線性變化；然而在使艙門關(guān)閉方向加載的中間段和卸載的初始段均出現(xiàn)較明顯的變化，使得載荷應(yīng)變曲線的滯回環(huán)更大。推測可能的原因是：旋臂與作動器的間隙、各旋臂間轉(zhuǎn)動角度差異及卸載過程中加載裝置卡滯引起的。

在圖6中給出了艙門靜態(tài)載荷標(biāo)定時應(yīng)變計電橋和標(biāo)定載荷的時間歷程曲線。由該圖可知，開、關(guān)門方向的加載載荷曲線與應(yīng)變計電橋響應(yīng)呈對應(yīng)的臺階變化，但在開始卸載時，可能由于旋臂的間隙、卡滯或各旋臂轉(zhuǎn)動角度的微小差異，造成應(yīng)變響應(yīng)延遲，導(dǎo)致同一量級載荷在加、卸載時對應(yīng)的應(yīng)變值反而不同。最終得到的校準(zhǔn)誤差為5%。

動態(tài)數(shù)據(jù)

在圖7中給出了動態(tài)加載的載荷－應(yīng)變曲線，在動態(tài)標(biāo)定試驗開、關(guān)艙門過程中，載荷和應(yīng)變的尖峰僅出現(xiàn)在開、關(guān)艙門的瞬間，且關(guān)門瞬間的載荷尖峰變化較大。在開、關(guān)艙門到位后也出現(xiàn)了相同校準(zhǔn)載荷下對應(yīng)不同應(yīng)變值的現(xiàn)象，可能是開、關(guān)艙門時不同的旋轉(zhuǎn)速度、不同的扭矩傳遞效率以及關(guān)門到位后部分載荷被艙門支持結(jié)構(gòu)承擔(dān)引起的。

飛行試驗結(jié)果

就某次飛行中的兩次開艙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。飛機(jī)起飛前，應(yīng)變計電橋響應(yīng)初值為109με。在圖8中示出了在平飛機(jī)動過程中開關(guān)艙門的應(yīng)變計電橋響應(yīng)時間歷程曲線。在開艙門前，應(yīng)變計電橋響應(yīng)的均值為162με；在艙門開到位后，應(yīng)變計電橋響應(yīng)的變化區(qū)間為113με～206με；在艙門打開過程中應(yīng)變計電橋響應(yīng)變化較大，尤其在即將開到位前，應(yīng)變計電橋響應(yīng)變化相當(dāng)劇烈，艙門驅(qū)動裝置輸出軸的扭矩載荷最大為－407Nm和709Nm。

圖9 Hp=5km，盤旋機(jī)動，Nz=5.5時開艙門，Nz=3.28時關(guān)艙門

在圖9中示出了在盤旋機(jī)動過程中開關(guān)艙門的應(yīng)變計電橋響應(yīng)時間歷程曲線。在艙門開啟前，法向過載不斷增大，應(yīng)變計電橋響應(yīng)值變化不大，均值大約91με，說明在艙門關(guān)閉狀態(tài)下艙門驅(qū)動裝置輸出軸的扭矩載荷隨法向過載的變化很??；在艙門打開過程中，應(yīng)變計電橋響應(yīng)變化較大，尤其在即將開到位前，應(yīng)變計電橋響應(yīng)變化很劇烈，應(yīng)變計電橋的響應(yīng)達(dá)到了正的極值，艙門驅(qū)動裝置輸出軸的扭矩載荷最大為－1095Nm，在打開艙門前的某瞬間，輸出軸的扭矩載荷最大為629Nm；在艙門開到位后，應(yīng)變計電橋響應(yīng)值變化趨勢與法向過載變化趨勢相一致；在艙門關(guān)閉過程中，應(yīng)變計電橋響應(yīng)隨法向過載的變化也不大。

結(jié)束語

（1）本次載荷標(biāo)定靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)的最大載荷時應(yīng)變跟隨性較差的現(xiàn)象，推斷原因是旋轉(zhuǎn)作動器間隙、各旋臂間轉(zhuǎn)動角度差異及卸載過程中加載裝置卡滯引起的；

（2）動態(tài)標(biāo)定試驗中出現(xiàn)的相同載荷作用下開、關(guān)門到位后應(yīng)變數(shù)據(jù)不同的現(xiàn)象，可能是開、關(guān)門時不同的旋轉(zhuǎn)速度、不同的扭矩傳遞效率以及關(guān)門到位后部分載荷被艙門支持結(jié)構(gòu)承擔(dān)引起的；

（3）飛行中艙門打開到位前的某個瞬間，艙門承受的載荷值最大，打開過程中艙門承受的載荷變化劇烈，艙門打開到位后，艙門載荷隨法向過載的變化而變化，關(guān)閉過程中艙門承受的載荷變化較小。

劉敬禮（1982- ）男，山東臨朐人，工程師，從事飛機(jī)載荷測量工作；張麗（1981-）女，黑龍江雙城人，高級工程師，從事飛機(jī)安全性設(shè)計。