后緣襟翼隨動加載技術研究

李三元，陳先民，龐寶才

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

后緣襟翼是現(xiàn)代飛機中不可缺少的重要部分，在整個飛行過程中發(fā)揮著不可替代的作用。后緣襟翼在前緣縫翼的配合下，通過收放運動來改變整個機翼的形狀和面積(如圖1所示)，從而在不同飛行階段得到所需的升力和阻力[1]。在起飛階段，襟翼與縫翼一同展開，增大機翼面積，使飛機在低速狀態(tài)獲得較大的升力；在巡航階段，飛機飛行速度較快，襟翼和縫翼收起，可以降低阻力，有利于飛機快速高效飛行；在著陸階段，襟翼和縫翼均放下，同時增加升力和阻力，便于飛機著陸減速和危險狀態(tài)復飛。

圖1 襟縫翼在不同飛行階段的狀態(tài)[2]

后緣襟翼通常由襟翼翼盒、支持結(jié)構(gòu)、運動機構(gòu)及傳動組件等構(gòu)成，是飛機結(jié)構(gòu)中最為復雜的可動部件之一，關系著飛機的安全性和可靠性。為驗證其是否滿足設計與適航要求，需要進行諸多地面試驗，如靜力試驗、疲勞試驗及部件集成驗證試驗等。

襟翼隨動加載技術用于在地面試驗中模擬作用于襟翼翼盒表面不斷變化的氣動載荷。在襟翼地面試驗過程中，加載點相對襟翼翼盒固定，而襟翼翼盒的空間位置及作用于襟翼翼盒表面的載荷大小和方向均在變化，導致加載困難。因此，后緣襟翼隨動加載技術是其地面試驗中最復雜且關鍵的技術[2]。根據(jù)原理，將國內(nèi)外工程中主要采用的襟翼隨動加載技術歸納為三類：合成式隨動加載技術、定軸轉(zhuǎn)動式隨動加載技術和多自由度分離式隨動加載技術[2]。本文從原理、優(yōu)缺點及工程應用案例等方面對這三類襟翼隨動加載技術進行闡述。

2 合成式隨動加載技術

2.1 合成式隨動加載技術原理

平面內(nèi)的二力合成符合平行四邊形原則(如圖2所示)。已知某個加載點的載荷和方向，即可根據(jù)二力合成原理將其分解為兩個分力。當分力的方向確定后，它們的值是唯一的。

圖2 力的合成原理

圖3為合成式隨動加載技術原理示意圖。應用力的合成原理，將某個加載點的載荷分解到與該加載點相鉸接的兩個作動筒，而作動筒的底座固定，則襟翼在任一偏轉(zhuǎn)角時，作動筒的軸線方向及加載值是唯一確定的。由于已知襟翼及加載點的運動軌跡，可以設計出滿足試驗需求的加載系統(tǒng)，并給出所有作動筒的加載控制參數(shù)(如加載值)。

圖3 合成式隨動加載技術原理示意圖[3]

假設襟翼在如圖3所示的試驗狀態(tài)下，加載點為A，作動筒AB的長度為l1，作動筒AC的長度為l2，兩個作動筒的底座間距為l0。對于加載狀態(tài)正解，即已知作用點A加載目標值P、兩個作動筒的長度及αAC，則作動筒AB和AC上的加載分量F01和F02為：

(1)

其中：

(2)

對于加載狀態(tài)反解，即已知作動筒AB和AC長度及其加載分量F1和F2，則作用點A的實際加載值F及其與作動筒AC的夾角θ為：

(3)

其中，cos(∠BAC)的計算同式(2)。

當加載點與作動筒加載端鉸點重合時(實際存在偏差)，合成式隨動加載因合力大小及方向與目標值存在差異而帶來誤差及附加力。目標載荷方向上載荷值的誤差值δ及誤差百分比q如下：

(4)

式中，γ為實際合力方向與目標加載方向的夾角。

2.2 合成式隨動加載技術工程應用

合成式隨動加載技術的原理較為簡單，易于實現(xiàn)，且成本較低。在非定軸轉(zhuǎn)動的平面運動類襟翼的隨動加載系統(tǒng)設計時，通常優(yōu)先考慮采用這種隨動加載技術。但是，對于試驗過程中變形較大的襟翼，作用點在加載過程中將隨著載荷變化而不斷變化。若不能準確或近似得到襟翼的變形，則較難確定作動筒的長度和載荷分量，并且導致加載裝置的控制難度增加。

圖4為中國飛機強度研究所開展的某民機襟縫翼運動機構(gòu)可靠性評估試驗。在該試驗中采用合成式隨動加載技術，每個加載點上由兩個作動器聯(lián)合加載，其加載端與拉壓鉸接在一起，底座固定于地面。同一加載點的兩個作動筒通過同時控制各自的伸縮量和載荷大小，即可合成所需方向和大小的載荷，以滿足試驗的載荷需求。

圖4 可靠性評估試驗

巴西航空在研發(fā)EMB170飛機襟翼時，為了減小研發(fā)風險、驗證分析結(jié)果，由日本三菱重工開展了襟翼收放等試驗[4]。試驗中內(nèi)外襟翼采用獨立的試驗夾具(見圖5)，且采用合成式隨動加載技術，如圖6所示。與圖4中的試驗不同的是，該試驗在拉壓墊和作動筒之間增加了杠桿系統(tǒng)。

(a)外襟翼

(b)內(nèi)襟翼圖5 EMB170飛機襟翼運動機構(gòu)收放試驗[4]

圖6 載荷施加方法示意圖[4]

3 轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術

3.1 轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術原理

對于定軸轉(zhuǎn)動的加載點，如果加載方向相對于襟翼不變或者變化很小，則可以采用轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術。在試驗過程中，作動筒與襟翼繞固定轉(zhuǎn)軸同步往復轉(zhuǎn)動，同時施加所需載荷，作動筒的長度在整個過程中幾乎不變。然而，飛機襟翼的運動軌跡不一定是標準的圓弧段。這類襟翼的加載點運動軌跡可以經(jīng)過擬合，得到最佳擬合圓弧運動軌跡，即可采用這種轉(zhuǎn)軸式隨動加載方法。無論哪種情況，都要保證作用點與加載裝置的運動同步，且共軸或近似共軸。

3.2 轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術工程應用

轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術的原理也較為簡單，但其加載臺架與合成式隨動加載的相比較為復雜，成本也較高。這種隨動加載技術限于襟翼加載點的運動軌跡為定軸轉(zhuǎn)動，或在容許的誤差范圍內(nèi)可近似為定軸轉(zhuǎn)動的情況。圖7所示為中國飛機強度研究所承擔的某型飛機襟/縫翼疲勞試驗，其加載裝置應用的是轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術。由圖7可以看出，整個加載臺架由固定底座、轉(zhuǎn)軸、活動掛架、驅(qū)動作動筒和加載作動筒等構(gòu)成。加載臺架的底座固定在承力地坪上，活動掛架通過轉(zhuǎn)軸與底座相連，加載作動筒固定在活動掛架上，二者由驅(qū)動作動筒驅(qū)動后共同繞軸轉(zhuǎn)動。

圖7 某型飛機襟/縫翼疲勞試驗

4 多自由度分離式隨動加載技術

4.1 多自由度分離式隨動加載技術原理

多自由度分離式隨動加載裝置的加載載荷大小和方向分離控制，力控作動筒僅負責施加載荷的大小，而通過位控作動筒來調(diào)整力控作動筒的方向。位控作動筒和力控作動筒之間為上平臺，其與位控作動筒和底座共同構(gòu)成多自由度平臺，而力控作動筒固定于多自由度平臺之上。多自由度平臺的姿態(tài)和力控作動筒的施加載荷同時變化，二者共同保證在加載點施加大小和方向準確的載荷。圖8為標準六自由度并聯(lián)運動平臺，是典型的多自由度平臺，由6個作動筒、上平臺及底座構(gòu)成。

圖8 標準六自由度并聯(lián)運動平臺[5]

多自由度分離式隨動加載的控制較為復雜，特別是多自由度平臺的姿態(tài)控制。其設計上平臺的姿態(tài)正解和反解，其中，正解較為困難。圖9為多自由度平臺坐標系及單個作動筒示意圖，OMXMYM為其上平臺局部坐標系(上標M表示動坐標系)，相對上平臺靜止；OFXFYF為其底座坐標系(上標F表示固定坐標系)，相對地面靜止；BiPi為連接上平臺和底座的第i個作動筒，其長度為Li。

圖9 多自由度平臺坐標系及單個作動筒示意圖

對于姿態(tài)反解問題，已知上平臺的空間姿態(tài)參數(shù)：繞X、Y和Z軸轉(zhuǎn)動的姿態(tài)角(轉(zhuǎn)動順序依次為X、Y和Z)分別為θ、β和α，沿X、Y和Z軸的平移量分別為tX、tY和tZ。由式(5)計算出第i個作動筒的長度Li，即可通過位控來控制上平臺的姿態(tài)。

(5)

其中，T為坐標變換矩陣，且：

對于姿態(tài)正解問題，已知多自由度平臺各作動筒的長度，求得上平臺的空間姿態(tài)參數(shù)θ、β、α、tX、tY和tZ，它們與各作動筒長度的關系為六元二次非線性方程組，這給求解速度和精度帶來困難[5-8]。其求解方法分為解析解法(如幾何法和四元素代數(shù)法等)和數(shù)值解法(如Newton-Raphson迭代算法等)，前者分析較為困難，后者依賴于初始值，可以參考文獻[6]等。

4.2 多自由度分離式隨動加載技術工程應用

由于多自由度分離式隨動加載裝置的固有復雜性，使得其控制系統(tǒng)設計難度較大，且總成本相對較高。該技術一般用于運動軌跡較為復雜的加載點。

歐洲空客已經(jīng)在多個飛機型號的襟翼試驗裝置中應用多自由度分離式隨動加載技術，圖10和圖11分別為A380和A350飛機的襟翼試驗裝置。從圖中可知，每個襟翼下面都有一個獨立的六自由度隨動加載裝置，采用非標六自由度平臺作為加載平臺，由6個液壓作動筒、上平臺和底座等組成。氣壓作動筒固定于六自由度隨動加載平臺之上，用于施加氣動載荷[9-11]。

圖10 A380襟翼功能試驗裝置[9]

圖11 A350襟翼功能試驗裝置[10]

5 總 結(jié)

目前，工程中常用的后緣襟翼隨動加載技術根據(jù)原理可分為合成式、轉(zhuǎn)軸式和多自由度分離式隨動加載技術。合成式隨動加載技術的原理和裝置均較簡單，易于實現(xiàn)，且成本相對較低；該技術不適用于運動范圍較大的襟翼，若襟翼變形顯著，則控制算法較復雜。轉(zhuǎn)軸式隨動加載技術的原理也簡單，但裝置略復雜，成本也升高；該技術適用于定軸轉(zhuǎn)動或近似定軸運動的襟翼，控制較簡單。多自由度分離式隨動加載技術的原理和裝置較前二者復雜，成本也較高；該技術的適用范圍較廣，控制算法比較復雜。

在進行涉及襟翼運動的地面試驗設計時，應首先考慮襟翼的運動特征，再結(jié)合試驗項目的目的、經(jīng)費和現(xiàn)有技術水平等選擇適當?shù)碾S動加載方法，使得設計的隨動加載裝置的綜合價值最優(yōu)。