載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)安全監(jiān)控關(guān)鍵環(huán)節(jié)研究

賈天嬌，李志蕊

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

飛機(jī)飛行載荷實(shí)測(cè)是飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷驗(yàn)證的最真實(shí)、最直接的方法，對(duì)飛行包線擴(kuò)展、載荷驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、載荷譜實(shí)測(cè)等有非常重要的意義，更是跨代飛機(jī)和民用飛機(jī)必須進(jìn)行的試飛項(xiàng)目。目前，國(guó)內(nèi)外飛行載荷實(shí)測(cè)普遍采用應(yīng)變法[1～4]，而載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)[5～10]又是應(yīng)變法必不可少的關(guān)鍵試驗(yàn)環(huán)節(jié)。載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)作為一個(gè)大型復(fù)雜的地面試驗(yàn)，其安全受到很多因素的影響，包括可預(yù)見和不可預(yù)見的因素，為避免飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞、人員傷害及其造成的財(cái)產(chǎn)損失等后果，必須采取風(fēng)險(xiǎn)管理的方法，積極主動(dòng)監(jiān)控已知的安全風(fēng)險(xiǎn)并探測(cè)新出現(xiàn)的安全問題，將試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)降至并保持在可接受的范圍之內(nèi)，以保證試驗(yàn)安全。

1 試驗(yàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)原理

試驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)貫穿于飛行載荷測(cè)量地面校準(zhǔn)試驗(yàn)的試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)終結(jié)在內(nèi)的全過程，目前采用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字壓縮技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。通過攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)影像，通過光端機(jī)將視頻數(shù)據(jù)傳送至試驗(yàn)信號(hào)疊加器；同時(shí)，從加載控制計(jì)算機(jī)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)疊加至原始視頻。然后，視頻分配器將疊加有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的視頻信號(hào)和載荷曲線計(jì)算機(jī)輸出的試驗(yàn)載荷曲線信號(hào)分發(fā)到音視頻矩陣和存儲(chǔ)設(shè)備，最后在監(jiān)視器顯示。

圖1 載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Security monitoring system of load calibration test

2 試驗(yàn)安全監(jiān)控關(guān)鍵環(huán)節(jié)

載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)可以直接在試驗(yàn)樣機(jī)上對(duì)測(cè)載部件進(jìn)行加載校準(zhǔn)試驗(yàn)，也可以先從飛機(jī)上將試驗(yàn)部件拆下來(lái)，再安裝固定在地面試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行加載校準(zhǔn)試驗(yàn)。試驗(yàn)涉及機(jī)翼、平尾、垂尾、機(jī)身、起落架等測(cè)載部件，其主要環(huán)節(jié)包括試驗(yàn)設(shè)備安裝、試驗(yàn)調(diào)試、正式試驗(yàn)、試驗(yàn)設(shè)備換裝、試驗(yàn)設(shè)備卸裝等。根據(jù)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)過程中需要重點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

2.1 加載監(jiān)控

載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)飛機(jī)為全狀態(tài)在飛飛機(jī)，對(duì)試驗(yàn)安全有極高的要求，校準(zhǔn)試驗(yàn)中不允許有任何的載荷超限或意外損傷[11]。試驗(yàn)采用液壓自動(dòng)加載系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)加載，對(duì)加載過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要包括加載跟隨性監(jiān)控、應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)控、關(guān)鍵部位監(jiān)控三種：

（1）加載跟隨性監(jiān)控。對(duì)加載命令和反饋全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過設(shè)置誤差值、最大保護(hù)極限值來(lái)保證主動(dòng)加載通道的準(zhǔn)確性，保證各載荷工況載荷施加的協(xié)調(diào)性，進(jìn)而確保飛機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)的安全。試驗(yàn)中最大誤差（error）通常取值在±5%范圍內(nèi)，一旦超過error便立即觸發(fā)應(yīng)急動(dòng)作。

（2）應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)控。通過實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)對(duì)試件的應(yīng)變響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，保證試驗(yàn)中應(yīng)變最大值不超過限制值。

（3）關(guān)鍵部位監(jiān)控。監(jiān)控加載作動(dòng)器的加載墊板與被試件的接觸點(diǎn)；監(jiān)控鴨翼、T形尾翼布局飛機(jī)平尾等結(jié)構(gòu)采用的加載卡板與被試件結(jié)構(gòu)的接觸點(diǎn)；監(jiān)控起落架緩沖器支柱壓縮行程的變化量。

2.2 約束監(jiān)控

載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)飛機(jī)進(jìn)行一定的約束，保持飛機(jī)平衡，使飛機(jī)在試驗(yàn)時(shí)保持不動(dòng)，以保證加載的精度[12]，同時(shí)確保人機(jī)安全。對(duì)約束進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括飛機(jī)姿態(tài)、配置、起落架約束、作動(dòng)器約束以及約束載荷。

（1）飛機(jī)姿態(tài)監(jiān)控。在飛機(jī)機(jī)頭（一般在飛機(jī)空速管位置）、機(jī)尾、左/右機(jī)翼翼尖等位置加裝吊錘或位移傳感器，通過位移變化判斷飛機(jī)在施加外載荷時(shí)的平衡狀態(tài)，一旦超出預(yù)定范圍，即表明飛機(jī)姿態(tài)已發(fā)生變化。

（2）配重監(jiān)控。采用配重方式對(duì)飛機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)機(jī)身上部配重區(qū)域進(jìn)行局部重點(diǎn)監(jiān)控，檢查配重框和配重物是否出現(xiàn)移動(dòng)。

（3）起落架約束監(jiān)控。監(jiān)控前起落架和左、右主起落架的垂向、航向、側(cè)向支持以及約束裝置在加載過程中是否發(fā)生位移。起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)對(duì)機(jī)輪“假件”接頭與約束裝置的連接固定情況進(jìn)行密切監(jiān)控，若起落架固定約束不緊，可能會(huì)影響加載過程中試驗(yàn)件安全。

（4）作動(dòng)器約束監(jiān)控。監(jiān)控作動(dòng)器、增高底座等加載裝置與地面的連接狀態(tài)。

（5）約束載荷監(jiān)控。對(duì)于加載量級(jí)要求較大的復(fù)雜部件載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)，飛機(jī)起落架約束部位的承載壓力必然也更大，其風(fēng)險(xiǎn)也較大，在實(shí)施過程中，對(duì)飛機(jī)起落架約束載荷也應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[13]，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，保證試驗(yàn)中約束載荷不超過使用限制。

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)所監(jiān)控

對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員活動(dòng)等各類事件進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。在試驗(yàn)設(shè)備安裝、換裝、卸裝的過程中，對(duì)吊具可能發(fā)生故障、綁扎松動(dòng)、起吊件不平衡擺動(dòng)、飛機(jī)失去平衡、物品墜落、工作人員受傷等情況進(jìn)行監(jiān)控。在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，主要對(duì)液壓系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，包括液壓泵站的油溫，系統(tǒng)緊急停止控制盒開關(guān)操作，輸油管路與保護(hù)模塊、分油器、作動(dòng)器等連接處是否發(fā)生漏油，加載區(qū)域內(nèi)的控制線纜是否與輸油管等設(shè)備發(fā)生干涉，試驗(yàn)輔助設(shè)備如專用試驗(yàn)臺(tái)架等工作情況。

2.4 試驗(yàn)異常情況應(yīng)急處置

常見危害試驗(yàn)安全的異常情況及應(yīng)對(duì)措施見表1。試驗(yàn)應(yīng)急處理方案主要有兩種：一是正常卸載，二是自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急停。正常卸載，即觸發(fā)非自鎖應(yīng)急動(dòng)作，如HOLD（試驗(yàn)保持）、STOP（試驗(yàn)停止），現(xiàn)場(chǎng)排故確認(rèn)后可繼續(xù)試驗(yàn)。自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急停，即觸發(fā)自鎖應(yīng)急動(dòng)作，待載荷反饋信號(hào)減少到零，作動(dòng)器與加載點(diǎn)脫離后再進(jìn)行排故，故障排除后需經(jīng)過預(yù)加載檢驗(yàn)才能重新執(zhí)行自動(dòng)加載程序。

表1 試驗(yàn)異常情況應(yīng)急處置Table 1 Emergency measures in test

3 應(yīng)用

實(shí)例1：某型機(jī)機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，在后梁的加載點(diǎn)上實(shí)施加載時(shí)，通過加載跟隨性監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)，如圖2所示。振動(dòng)幅值迅速增大，振動(dòng)持續(xù)2.5s，并有繼續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)。與此同時(shí)，關(guān)鍵部位機(jī)翼后梁根部的應(yīng)變計(jì)響應(yīng)實(shí)時(shí)分析結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)，如圖3所示。此異常情況為作動(dòng)器抖動(dòng)。但由于觸發(fā)時(shí)間參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)生后，盡管反饋與命令的誤差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)定值5%，卻仍無(wú)法自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急動(dòng)作。以手動(dòng)STOP方式正常卸載，立即停止試驗(yàn)。

圖2 機(jī)翼校準(zhǔn)試驗(yàn)加載曲線Fig.2 Load curve in calibration test of airplane wing

圖3 機(jī)翼后梁應(yīng)變分析Fig.3 Strain analysis of rear beam of the wing

實(shí)例2：某機(jī)起落架載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)采用脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，即將試驗(yàn)起落架從飛機(jī)上拆下，固定在專用試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行加載試驗(yàn)，如圖4所示。起落架緩沖支柱行程50mm，進(jìn)行起落架支柱垂向、側(cè)向兩向組合加載工況（見表2）時(shí)，通過加載跟隨性監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，垂向反饋曲線臺(tái)階拐角處出現(xiàn)“小尖刺”，如圖5所示。此類“小尖刺”主要由結(jié)構(gòu)間隙引起，一般都在誤差允許范圍內(nèi)，并不影響試驗(yàn)進(jìn)程。但應(yīng)注意，當(dāng)“小尖刺”超過試驗(yàn)安全最大誤差5%時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)STOP正常卸載。

圖4 起落架載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)Fig.4 Load calibration test of landing gears

表2 起落架校準(zhǔn)試驗(yàn)載荷工況Table 2 Load conditions in calibration test of landing gears

圖5 起落架校準(zhǔn)試驗(yàn)加載曲線Fig.5 Load curve in calibration test of landing gears

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中安全監(jiān)控實(shí)施過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及應(yīng)急處置措施，已成功應(yīng)用到多種型號(hào)飛機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，有效保障了試驗(yàn)安全。

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