起落架載荷脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)技術(shù)研究

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(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

起落架載荷試飛是新機(jī)定型試飛的重要項(xiàng)目，是民機(jī)合格審定試飛的重要項(xiàng)目[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用的起落架載荷實(shí)測(cè)方法為應(yīng)變法[3]。用應(yīng)變法進(jìn)行載荷實(shí)測(cè)必須進(jìn)行載荷地面校準(zhǔn)試驗(yàn)，它是載荷實(shí)測(cè)的前提和關(guān)鍵，是關(guān)系到載荷實(shí)測(cè)結(jié)果正確與否的重要環(huán)節(jié)[4]。載荷地面校準(zhǔn)試驗(yàn)，是模擬起落架在實(shí)際使用中的受載情況，對(duì)加裝了應(yīng)變電橋的起落架施加已知載荷，建立外載荷與電橋輸出之間的定量關(guān)系[5]。在進(jìn)行起落架載荷校準(zhǔn)時(shí)，為提高校準(zhǔn)精度，需要加大載荷量級(jí)，增加載荷工況，使校準(zhǔn)載荷能夠盡可能真實(shí)模擬飛機(jī)實(shí)際使用情況[6]。

國(guó)內(nèi)進(jìn)行的起落架地面校準(zhǔn)試驗(yàn)主要采用聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)[7]的方法，該方法是對(duì)裝配在飛機(jī)上的起落架直接進(jìn)行加載校準(zhǔn)。從試驗(yàn)安全性考慮，其加載工況受限嚴(yán)重，加載量級(jí)較小，全機(jī)平衡、約束、固定風(fēng)險(xiǎn)較高，人機(jī)安全隱患較大。隨著各種復(fù)雜航空器的不斷發(fā)展，起落架的結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜、限制載荷不斷加大、受載工況愈加復(fù)雜，常規(guī)的聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)方法無法進(jìn)一步滿足校準(zhǔn)試驗(yàn)的需要。

本文針對(duì)起落架載荷校準(zhǔn)實(shí)際需求，研究了一套起落架脫機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方法，并將該方法用于某型民機(jī)起落架載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)。

1 受載分析

起落架是航空器下部用于起飛降落或者地面滑行時(shí)支撐航空器并用于地面移動(dòng)以及在地面上為飛機(jī)提供穩(wěn)定支撐的裝置，(起落架設(shè)計(jì)手冊(cè))常見的起落架結(jié)構(gòu)如圖1所示。起落架承擔(dān)了飛機(jī)起飛著陸、滑行、轉(zhuǎn)彎、停機(jī)等狀態(tài)下地面對(duì)飛機(jī)的所有作用力。因此，在實(shí)際使用過程中，起落架受載狀態(tài)為空間混合力，為了方便載荷分析計(jì)算，通用的方法是將該力進(jìn)行正交分解，分解為垂直載荷、航向載荷及側(cè)向載荷，這三向載荷在不同的使用情況下比例不同。

圖1 典型起落架結(jié)構(gòu)示意圖

地面載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)必須模擬起落架真實(shí)受載狀態(tài)，因此在進(jìn)行試驗(yàn)校準(zhǔn)方案和校準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到起落架真實(shí)受載狀態(tài)。

2 試驗(yàn)方法

起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)，通過將起落架從飛機(jī)上拆下，固定在專門研制的地面臺(tái)架上，對(duì)起落架利用液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)施加載。起落架在臺(tái)架上的安裝必需與在真實(shí)飛機(jī)上的安裝情況完全相同，包括連接方式、姿態(tài)等。

圖2 起落架假機(jī)輪結(jié)構(gòu)示意圖

起落架機(jī)輪用專門研制的假機(jī)輪代替以便于加載連接。假機(jī)輪上設(shè)有航向、側(cè)向和垂向加載點(diǎn)，其中，航向、垂向加載點(diǎn)通過起落架輪軸中心，剎車和側(cè)向加載點(diǎn)則位于機(jī)輪半徑加載點(diǎn)處。圖2即為某典型起落架假機(jī)輪結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)加載示意圖

航向、剎車和側(cè)向?qū)嵤┘虞d時(shí)通過假機(jī)輪對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)鉸接加載單元進(jìn)行加載。加載單元將載荷通過加載立柱傳遞到試驗(yàn)地軌上面實(shí)現(xiàn)載荷加載。垂向加載實(shí)施則是通過加載杠桿兩端的垂向加載絲杠和垂向液壓作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)垂向加載。具體起落架脫機(jī)校準(zhǔn)加載參見圖3。

3 試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)

利用該方法可有效提升起落架校準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)芰Γ嵘嗽囼?yàn)安全性和加載精度，更加符合起落架真實(shí)受載狀態(tài)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 加載量級(jí)

圖4 起落架聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)加載

校準(zhǔn)載荷量級(jí)是影響校準(zhǔn)結(jié)果精度的重要指標(biāo)?；诩虞d平臺(tái)的聯(lián)機(jī)加載方法，垂向校準(zhǔn)載荷借助飛機(jī)自身重力進(jìn)行加載，而航向和側(cè)向載荷是通過平臺(tái)表面與輪胎之間的摩擦作用施加給起落架結(jié)構(gòu)的，載荷較大時(shí)，機(jī)輪與平臺(tái)表面產(chǎn)生滑動(dòng)，載荷難以施加。因此校準(zhǔn)載荷加載量級(jí)受到極大限制，圖4為某型飛機(jī)起落架聯(lián)機(jī)加載。

圖5 起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)加載

起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)方法完全是借助液壓自動(dòng)加載系統(tǒng)對(duì)起落架固定平臺(tái)上的起落架進(jìn)行校準(zhǔn)工況模擬加載，其加載量級(jí)可達(dá)限制載荷的100%。圖5即為我國(guó)某型飛機(jī)起落架脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)加載。

表1為某型飛機(jī)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)校準(zhǔn)加載和脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)各向載荷加載量級(jí)對(duì)比，從中可以明顯看出脫機(jī)校準(zhǔn)載荷量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)。因此，在加載量級(jí)方面，脫機(jī)校準(zhǔn)方法明顯優(yōu)于聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)。

表1 聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)和脫機(jī)校準(zhǔn)載荷量級(jí)對(duì)比

3.2 載荷工況模擬

常規(guī)的聯(lián)機(jī)加載校準(zhǔn)中，由于試驗(yàn)對(duì)象為整個(gè)飛機(jī)，為確保飛機(jī)安全，往往是先施加垂直載荷，再逐步施加其它方向的載荷，其加載效果如圖6所示。另外受到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件所限，部分起落架的真實(shí)受載工況無法實(shí)施。以上因素均限制了聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)精度的進(jìn)一步提升。

圖6 聯(lián)機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載曲線

脫機(jī)校準(zhǔn)時(shí)，起落架單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，各向校準(zhǔn)載荷可相互獨(dú)立進(jìn)行施加，可以完全模擬起落架各種實(shí)際受載狀態(tài)，在組合加載時(shí)也可依據(jù)實(shí)際不同比例同時(shí)施加，可有效提高校準(zhǔn)試驗(yàn)的加載精度，圖7即為脫機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)工況。

3.3 安全性和試驗(yàn)效率

起落架脫機(jī)校準(zhǔn)方法同聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)相比，在安全性和試驗(yàn)效率方面有著明顯優(yōu)勢(shì)：

1)將起落架從飛機(jī)支持結(jié)構(gòu)功能中脫離出來，固定在地面臺(tái)架上，避免了聯(lián)機(jī)加載時(shí)需考慮全機(jī)約束、固定、平衡的技術(shù)難題，試驗(yàn)過程安全、可控；

圖7 脫機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載曲線

2)所有加載設(shè)備一次安裝到位，加載精度更高，采用液壓自動(dòng)控制協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，提高試驗(yàn)效率。

4 試驗(yàn)應(yīng)用

目前，該方法已成功應(yīng)用于我國(guó)多型飛機(jī)起落架載荷校準(zhǔn)，并將試驗(yàn)結(jié)果成功應(yīng)用于起落架地面載荷試飛中，完成了型號(hào)合格審定任務(wù)。本文以某型民機(jī)起落架載荷試飛為例，對(duì)其脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)及后續(xù)飛行試驗(yàn)進(jìn)行分析說明。

圖8 脫機(jī)校準(zhǔn)試驗(yàn)垂向載荷曲線

該型飛機(jī)起落架在進(jìn)行脫機(jī)校準(zhǔn)時(shí)包括前起落架和兩個(gè)主起起落架共計(jì)三個(gè)試驗(yàn)件，每個(gè)起落架分為5個(gè)行程進(jìn)行校準(zhǔn)，共設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況255個(gè)，其最大載荷達(dá)170 kN。這與聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)工況數(shù)量和加載量級(jí)有著顯著提高，因此能夠全狀態(tài)模擬起落架受載，提升試驗(yàn)精度。整個(gè)試驗(yàn)周期為18個(gè)工作日，同聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)周期相比也有著顯著提升。使用脫機(jī)校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)載荷誤差均在3%以內(nèi)，能夠充分滿足起落架載荷飛行實(shí)測(cè)的需要。圖8為某型起落架垂向載荷方程計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，其方程誤差為1.2%。

將脫機(jī)校準(zhǔn)得到的載荷方程帶入飛行數(shù)據(jù)中即可得到起落架真實(shí)載荷。圖9以某型飛機(jī)右主起落架為例介紹了地面著陸科目試飛試驗(yàn)結(jié)果。圖中所示著陸時(shí)飛機(jī)狀態(tài)為：飛機(jī)重量36328 kg，著陸下沉速度為2.01 m/s。從圖中可知，當(dāng)緩沖器支柱行程發(fā)生變化時(shí)刻即飛機(jī)著陸時(shí)右主起落架垂向載荷出現(xiàn)急劇上升，最高達(dá)236985 N，而航向載荷出現(xiàn)了明顯的起轉(zhuǎn)回彈載荷，其最大載荷為-83853 N，而側(cè)向受載較小，最大為27751 N。

圖9 右主起落架著陸載荷

5 結(jié)論

1)隨著國(guó)內(nèi)航空研制由仿制轉(zhuǎn)型到自主研制，復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受載狀態(tài)的起落架不斷出現(xiàn)，常規(guī)的聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)方法已不能滿足起落架載荷校準(zhǔn)要求；

2)與聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)相比，起落架脫機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)具有加載量級(jí)大，加載精度高，試驗(yàn)安全性和效率高，能夠全狀態(tài)模擬起落架真實(shí)受載的優(yōu)點(diǎn)；

3)通過多型飛機(jī)起落架載荷校準(zhǔn)證明，脫機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)能夠有效滿足不斷發(fā)展的起落架載荷校準(zhǔn)需求。該方法通用性高，能夠有效用于后續(xù)型號(hào)飛機(jī)起落架載荷校準(zhǔn)。

[1] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.軍用飛機(jī)強(qiáng)度和剛度規(guī)范，第十部分：飛行試驗(yàn)：GJB67.10A-2008[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2008.

[2] 中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空規(guī)章：CCAR-25-R4[S].北京：中國(guó)民用航空局，2011.

[3] 吳宗岱，陶寶琪.應(yīng)變測(cè)量原理及技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982：34-37.

[4] М.Л.克利亞奇科.飛機(jī)強(qiáng)度飛行試驗(yàn)(靜載荷)[M].湯吉晨，譯.西安：航空航天部《ASST》系統(tǒng)工程辦公室，1992：21-23

[5] Skopinski T H，Aiken W S，Huston W B.中國(guó)民用航空規(guī)章：CCAR-25-R4[R].Washington，D.C.：NASA，1954.

[6] LOKOS W A，STAUF R.Strain-gage loads calibration parametric study[R].Washington：NASA，2004.

[7] 湯阿妮，沈航.基于加載平臺(tái)的起落架載荷地面校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].北京：強(qiáng)度與環(huán)境，2006，33(4)：23-26.