某型公務(wù)機(jī)襟翼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)載荷分析

劉國慶

（廣東省珠海市中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海519040）

1 襟翼控制系統(tǒng)架構(gòu)

某型公務(wù)機(jī)在左、右機(jī)翼后緣各設(shè)置了一片襟翼來改善飛機(jī)的起降性能，增加飛機(jī)的升力與阻力[1]，其采用簡單定軸式襟翼，襟翼轉(zhuǎn)軸位于機(jī)翼下方。襟翼具有0 度(UP 位)、20 度（T/O位）、35 度（LAND 位）三種構(gòu)型，見圖1 所示。

圖1 襟翼構(gòu)型示意圖

襟翼控制系統(tǒng)的組成包括：

a.襟翼控制手柄：用于接收飛行員驅(qū)動(dòng)襟翼的指令并將指令傳送至襟翼控制系統(tǒng)中。b.襟翼控制盒：用于接受襟翼控制手柄的指令，在經(jīng)過一系列的邏輯運(yùn)算后對(duì)襟翼驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，該控制盒綜合了襟翼控制系統(tǒng)的所有信息處理。c.中央驅(qū)動(dòng)裝置（PDU）：將飛機(jī)的能源（電能或液壓）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)襟翼的偏轉(zhuǎn)。d.軟軸：將中央驅(qū)動(dòng)裝置（PDU）的機(jī)械位移及力矩傳遞到襟翼作動(dòng)器。e.襟翼作動(dòng)器：與襟翼操縱搖臂相連，接受到軟軸傳過來的機(jī)械位移及力矩后，驅(qū)動(dòng)襟翼的偏轉(zhuǎn)。襟翼控制盒（Electronic Control Unit）在接受到襟翼操縱手柄（Flap Knob）的動(dòng)作指令后經(jīng)過邏輯運(yùn)算，向中央驅(qū)動(dòng)裝置（PDU）發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)，中央驅(qū)動(dòng)裝置（PDU）動(dòng)作并通過軟軸(Flexible Shaft)將位移及力矩傳遞至左右襟翼的四個(gè)作動(dòng)器(Actuator)上,作動(dòng)器上集成有力矩限制器（Torque Limiter）及位置測量裝置（Position sensor）；襟翼控制盒將襟翼的實(shí)時(shí)位置及狀態(tài)通過429 總線傳送至航空電子系統(tǒng)（Avionics），將襟翼手柄的位置及襟翼的位置實(shí)時(shí)傳輸至飛參記錄儀（FDR）。襟翼控制系統(tǒng)的架構(gòu)見圖2。

圖2 襟翼控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 襟翼控制系統(tǒng)載荷分析

在進(jìn)行襟翼的載荷計(jì)算時(shí)，需要用到的適航條款如下：第23.345 (d)[2]襟翼、其操縱機(jī)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能承受本條(a)規(guī)定的情況。此外，在速度VF、襟翼完全伸展時(shí)，必須分別考慮下述情況：(1)速度為7.60 米/秒（25 英尺/秒）（EAS）的迎面突風(fēng)與75%的最大連續(xù)功率所對(duì)應(yīng)的螺旋槳滑流同時(shí)作用；(2)最大起飛功率所對(duì)應(yīng)的螺旋槳滑流影響。

2.1 襟翼作動(dòng)器最大操作載荷。飛機(jī)氣動(dòng)專業(yè)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照適航條款要求計(jì)算出襟翼的最大操作載荷并提交給強(qiáng)度專業(yè)，由強(qiáng)度專業(yè)通過有限元建模分析后將襟翼的最大操作載荷分配到襟翼內(nèi)、外作動(dòng)器上，該載荷作為計(jì)算中央驅(qū)動(dòng)裝置輸出功率的依據(jù)。設(shè)計(jì)流程見圖3。

2.2 力矩限制器載荷。通常中央驅(qū)動(dòng)裝置所發(fā)出的最大載荷都會(huì)大于襟翼的正常偏轉(zhuǎn)的氣動(dòng)載荷，在故障情況下，例如襟翼傳動(dòng)線系一側(cè)卡阻，那么中央驅(qū)動(dòng)裝置的所有載荷都會(huì)施加在卡阻一側(cè)襟翼的作動(dòng)器上。因此需要在襟翼作動(dòng)器上增加力矩限制器，防止過多的載荷被施加在襟翼及其支撐機(jī)構(gòu)上。作動(dòng)器中力矩限制器的嚙合范圍的設(shè)計(jì)流程見圖4 所示，其中力矩限制器載荷上限取經(jīng)驗(yàn)值15%的力矩限制器載荷下限，15%的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需根據(jù)工業(yè)上碟簧的特性確定，供應(yīng)商希望該值越大越好，這樣更利于碟簧的選擇，但該數(shù)值越大，襟翼系統(tǒng)需承受的載荷也就越大，這對(duì)飛機(jī)的重量不利；若該值選得過小，那么力矩限制器選擇困難且受環(huán)境因素影響較大。

圖3 襟翼作動(dòng)器最大操作載荷

圖4 力矩限制器載荷

2.3 襟翼作動(dòng)器設(shè)計(jì)載荷。該載荷主要考慮在襟翼設(shè)計(jì)速度VF 作用下且飛機(jī)遭受迎面突風(fēng)，同時(shí)襟翼還受到發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)功率所產(chǎn)生的75%的滑流共同作用下襟翼作動(dòng)器能承受的載荷，作動(dòng)器設(shè)計(jì)載荷的設(shè)計(jì)流程見圖5 所示。

圖5 襟翼作動(dòng)器設(shè)計(jì)載荷

2.4 故障狀態(tài)下作動(dòng)器載荷。在計(jì)算故障狀態(tài)下襟翼作動(dòng)器的載荷時(shí)，應(yīng)全面的窮舉襟翼控制系統(tǒng)以及襟翼結(jié)構(gòu)在預(yù)期的運(yùn)行環(huán)境下可能出現(xiàn)的各種故障工況。以該公務(wù)機(jī)的左襟翼為例，計(jì)算故障狀態(tài)下的襟翼作動(dòng)器載荷。襟翼懸掛及作動(dòng)器布置見圖6，襟翼控制系統(tǒng)各種故障狀態(tài)下的載荷工況。

圖6 襟翼懸掛及作動(dòng)器布置

表1 襟翼控制系統(tǒng)故障狀態(tài)

2.5 襟翼作動(dòng)器極限載荷。襟翼作動(dòng)器的極限載荷為作動(dòng)器能承受的在實(shí)際情況中可能出現(xiàn)的最大靜載，這時(shí)襟翼作動(dòng)器保持靜止、不動(dòng)作，作動(dòng)器極限載荷設(shè)計(jì)流程見圖7。

圖7 襟翼作動(dòng)器極限載荷

3 結(jié)論

通過第2 章的襟翼設(shè)計(jì)載荷分析和計(jì)算之后，最后得到的可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)及制造的襟翼作動(dòng)器載荷見表2 所示。

表2 襟翼作動(dòng)器載荷結(jié)果

本文通過從CCAR23 部適航規(guī)章中針對(duì)襟翼載荷的條款入手，根據(jù)不同的氣動(dòng)載荷條件及組合工況考慮得到襟翼作動(dòng)器的最大操作載荷及設(shè)計(jì)載荷，從而導(dǎo)出襟翼控制系統(tǒng)力矩限制器的上限及系統(tǒng)故障狀態(tài)下的作動(dòng)器載荷，最終得出襟翼作動(dòng)器的極限載荷。這種設(shè)計(jì)載荷分析方法邏輯嚴(yán)密并對(duì)CCAR23部飛機(jī)采用相似架構(gòu)的襟翼控制系統(tǒng)具有普適性，對(duì)操縱面控制系統(tǒng)的載荷設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。