復(fù)合材料進氣道畸變測量耙的研制與試飛驗證

(中國航空工業(yè)集團公司中國飛行試驗研究院，西安 710089)

1 引言

飛機進氣道畸變特性的測量與評估，一直是現(xiàn)代軍/民用飛機、發(fā)動機設(shè)計定型試飛/合格審定試飛中的重要試驗內(nèi)容之一[1-3]。而進氣道畸變測量耙作為飛行試驗中的關(guān)鍵測量設(shè)備[4-6]，通常安裝在發(fā)動機進口，以測取進口截面壓力、溫度、氣流方向等參數(shù)，為計算并分析進氣道出口流場品質(zhì)、空氣流量提供依據(jù)，并因此成為國內(nèi)外航空業(yè)者及試驗工程師重點研究和開發(fā)的內(nèi)容之一[7-10]。

在裝機試飛條件下，進氣道測量耙承受著來自飛機、發(fā)動機和氣流的振動載荷，飛行過載，以及飛機爬升與下降過程中熱應(yīng)變等的共同作用[11-14]，使用環(huán)境惡劣；加之其安裝在發(fā)動機進口位置，任何耙體的損傷均可能導(dǎo)致嚴重的飛行事故，因此對其結(jié)構(gòu)強度要求高。相關(guān)資料表明，歐美等航空強國在包括進氣道測量耙在內(nèi)的測試設(shè)備研制方面投入了大量人力、物力，其研制的高精度、系列化的進氣道測量耙為飛機的設(shè)計和定型錄取了寶貴的試飛數(shù)據(jù)。相比較而言，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究和應(yīng)用單位少，研制投入較小。中國飛行試驗研究院在系列飛機、發(fā)動機設(shè)計定型試飛中，開發(fā)并研制了系列進氣道測量耙，有著較為成熟的測量耙設(shè)計技術(shù)和使用維護經(jīng)驗，但其測量耙結(jié)構(gòu)設(shè)計理念、使用材料、測量精度等方面均有待提高。

本文在中國飛行試驗研究院前期系列進氣道測量耙研制的基礎(chǔ)上，以某型飛機進氣道改進試飛為應(yīng)用目的，通過測量耙結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用、振動試驗、風(fēng)洞校準(zhǔn)、試飛驗證、使用維護等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和創(chuàng)新，完整地掌握了大尺寸復(fù)合材料進氣道測量耙研制技術(shù)[15]，為后續(xù)型號飛機、發(fā)動機的飛行試驗提供了技術(shù)保障。

2 測量耙研制方案

進氣道畸變測量耙研制方案流程如圖1 所示，分為3個階段：第1階段為資料查閱、理論分析，形成測量耙研制總體技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù)；第2 階段是通過工藝設(shè)計、試驗驗證、理論分析等多種手段逐步攻關(guān)，并完成首支測量耙驗證件的加工，通過結(jié)構(gòu)強度振動試驗和測量精度風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗考核；第3 階段是完成測量耙裝機件的設(shè)計加工，并對關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)。

根據(jù)飛行試驗中進氣道流場品質(zhì)的測試技術(shù)要求，測量耙按8支周向等角度安裝設(shè)計，其中測量耙的測量段長約500 mm，采用5 點式等環(huán)面測點設(shè)計。測量耙采用橡膠和不銹鋼制造。為評估振動試驗和飛行試驗時測量耙的結(jié)構(gòu)完整性，在測量耙端部內(nèi)置1 支振動傳感器，并在根部外置粘貼應(yīng)力測量片，測量數(shù)據(jù)通過記錄采集器全程記錄。

圖1 進氣道畸變測量耙研制方案流程圖Fig.1 Inlet distortion rake development flow chart

測量耙研制內(nèi)容包含：

(1)測量耙結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工——包含測量耙主體承力骨架與板金加工工藝設(shè)計，外置式安裝座結(jié)構(gòu)與減振方法設(shè)計，集成內(nèi)埋式測點布局設(shè)計，可拆卸式動態(tài)總壓傳感器安裝設(shè)計；

(2)橡膠材料的研制與加工；

(3)結(jié)構(gòu)振動強度試驗考核與數(shù)值計算——包含動載荷與靜載荷環(huán)境下測量耙的振動，應(yīng)力測試與評估，測量耙靜強度校核和模態(tài)分析數(shù)值計算，全溫度包線范圍內(nèi)測量耙振動試驗考核；

(4)測量耙全尺寸風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗；

(5)測量耙裝機飛行試驗驗證。

3 測量耙結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

單支測量耙的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由測量段和安裝座兩部分組成。測量耙測量段采用U型不銹鋼作為承力件，并外置焊接在安裝支座上。承力件的U 型槽及背風(fēng)面采用密度小、減振性能好的復(fù)合橡膠材料進行填充和注型，以減小測量耙后端在流場測試中的渦流效應(yīng)。

圖2 測量耙整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Inlet distortion rake model structure

圖3 測量耙安裝座部分數(shù)模圖Fig.3 Model of the inlet distortion rake mounting base

測量耙安裝座結(jié)構(gòu)是測量耙設(shè)計的核心，其作用是固定測量耙測量段，并起到減振作用。如圖3測量耙安裝座數(shù)模圖所示，將一短U 型不銹鋼焊接在安裝支板上，并在短U 型不銹鋼與長U 型承力件之間填充橡膠材料，以減緩測量耙安裝座傳遞給測量段的周向振動載荷。安裝方式為外置式，即由進氣道外側(cè)向內(nèi)插入，插入前將耙體與兩塊鋁墊板及兩塊橡膠復(fù)合材料墊板組合，然后用螺栓連接測量耙與進氣道框架底座，螺栓緊固后用止動片鎖定。橡膠墊片與鋁板組合的加裝設(shè)計，可緩沖試驗中進氣道通過測量耙安裝座傳遞給測量耙測量段的徑向振動載荷，進而優(yōu)化測量耙的振動環(huán)境。測量耙安裝座外側(cè)統(tǒng)一集成壓力管接頭及溫度和動態(tài)壓力傳感器輸出的電氣插頭，便于后續(xù)試驗前后的測試改裝。

3.2 測量耙測試系統(tǒng)設(shè)計

測量耙測量段等環(huán)面布置5 個受感部測量點，每個測量點上布置1 個參數(shù)測點外套管，內(nèi)部集成布置動態(tài)總壓、穩(wěn)態(tài)總壓和總溫3組測試參數(shù)，各測量參數(shù)通過耙體內(nèi)部輸出到安裝座上。外套管根部位置設(shè)計3 個側(cè)向氣孔，以防止進入到外套管中的氣流擾流影響參數(shù)測量精度。動態(tài)壓力傳感器封裝成根部帶螺紋的圓柱體結(jié)構(gòu)，使用專用夾具安裝在外套管中的配套基座上，便于傳感器的定檢、維修、更換及重復(fù)利用。

4 測量耙結(jié)構(gòu)強度計算與試驗考核

4.1 測量耙模態(tài)數(shù)值分析

測量耙三維計算模型如圖4所示。采用通用大型有限元分析軟件對耙體的振動模態(tài)進行計算，結(jié)果如圖5 所示，表明耙體的靜強度完全滿足使用要求。

圖4 測量耙三維計算模型Fig.4 3D computational model of inlet distortion rake

圖5 測量耙振動模型圖Fig.5 Inlet distortion rake vibration computational result

4.2 測量耙結(jié)構(gòu)強度試驗

為評估和鑒定進氣道測量耙在振動環(huán)境條件下的工作適應(yīng)性和使用時的結(jié)構(gòu)完整性，按照測量耙研制的規(guī)定程序，對耙體結(jié)構(gòu)強度進行了振動試驗考核與分析。

結(jié)構(gòu)強度試驗在經(jīng)過標(biāo)定的專用溫控振動試驗臺上嚴格按照國軍標(biāo)[16]中規(guī)定的方法和程序進行。試驗過程中，對測量耙在不同溫度下的軸向、徑向和周向進行掃頻，其中耙體周向掃頻數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)掃頻結(jié)果，耙體1 階自振頻率隨環(huán)境溫度無明顯變化，2階、3階、4 階自振頻率隨著環(huán)境溫度的下降呈增大趨勢，表明隨著環(huán)境溫度的降低，復(fù)合材料硬度增大、彈性降低。分別在70℃、0℃、-70℃溫度點上各進行3 h(共計9 h)的耐久性振動試驗，試驗的安裝圖見圖6。試驗后對測量耙進行了無損檢測，無任何結(jié)構(gòu)損傷和異常情況，符合裝機試飛結(jié)構(gòu)強度要求。

表1 測量耙周向掃頻數(shù)據(jù)Table 1 Inlet distortion rake frequency test result

圖6 測量耙徑向振動安裝圖Fig.6 Radial vibration test of inlet distortion rake

4.3 耙體結(jié)構(gòu)應(yīng)力測量與計算

為研究測量耙在振動試驗中的應(yīng)力載荷和疲勞載荷，分別在測量耙根部、側(cè)壁面粘貼應(yīng)力測量片和振動傳感器，如圖7所示，錄取振動試驗過程中耙體的應(yīng)力和振動數(shù)據(jù)。通過試驗數(shù)據(jù)分析，可得出：①同一環(huán)境溫度下，耙體軸向、徑向和周向振動應(yīng)力循環(huán)幅值分別為60、160、280 MPa，應(yīng)力循環(huán)幅值最大為周向1彎振型；②相同激振條件下，低溫環(huán)境下測量耙的振動應(yīng)力最大，測量耙的靜強度完全滿足使用要求。

圖7 測量耙應(yīng)力傳感器粘貼圖Fig.7 Installation of inlet distortion rake sensors

5 測量耙的風(fēng)洞校準(zhǔn)與飛行試驗

5.1 風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗

為驗證和評估耙體受感部的測量特性，分別在某低速和高速風(fēng)洞中進行了全尺寸量級的測量耙風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗，獲得了測量耙角度、速度特性測試數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對耙體測點設(shè)計方案進行了優(yōu)化，也為后期試驗結(jié)果的精確修正提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

本次進氣道測量耙風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗，馬赫數(shù)標(biāo)定范圍為0.25～0.60，間隔0.05 馬赫；迎角標(biāo)定范圍為-30h～30h，間隔5h；鑒于測量耙沿長度方向中心線對稱，因此偏轉(zhuǎn)只標(biāo)定正角度，范圍為0h～30h，同樣間隔5h。試驗結(jié)果表明，測量耙受感部設(shè)計方案能夠滿足發(fā)動機進口流場品質(zhì)和流量測試精度要求。

5.2 飛行試驗

測量耙按8支周向等角度安裝在某型飛機發(fā)動機進口截面上，進行了包括不同飛行高度和不同飛行速度的穩(wěn)定平飛、側(cè)滑、盤旋收斂轉(zhuǎn)彎、拉桿躍升改平、俯沖改平等飛行試驗，完整錄取并通過計算獲得了發(fā)動機進口流場的進氣道出口周向畸變指數(shù)、紊流度、綜合畸變指數(shù)和壓力畸變圖譜。圖8 示出了典型飛行工況下穩(wěn)定平飛和左收斂轉(zhuǎn)彎機動飛行時發(fā)動機進口畸變圖譜?？梢钥闯觯悍€(wěn)定平飛時，進氣道出口氣流均勻性較好，無明顯壓力畸變構(gòu)型；左收斂轉(zhuǎn)彎機動飛行時，圖譜的左側(cè)存在局部低壓區(qū)。分析認為，該區(qū)域靠近機身，為該機動飛行時受機身對氣流屏蔽作用影響所致。

6 結(jié)論

(1)通過耙體結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)合材料研制、精細化測點布局與風(fēng)洞校準(zhǔn)等方面的技術(shù)攻關(guān)和試驗驗證，研制的大尺寸復(fù)合材料進氣道測量耙能夠滿足試飛中對大涵道比渦扇發(fā)動機進口流場品質(zhì)的測試技術(shù)需求。

(2)采用合金鋼骨架與復(fù)合材料填充的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研制的大尺寸進氣道測量耙，經(jīng)過振動試驗考核，滿足裝機飛行試驗要求。

(3)通過全尺寸量級進氣道測量耙風(fēng)洞校準(zhǔn)和飛行試驗驗證，采用穩(wěn)態(tài)總溫、總壓與動態(tài)壓力傳感器集成的設(shè)計方案，能夠滿足飛機進氣道與發(fā)動機相容性試飛的測試技術(shù)要求，并為后續(xù)型號試飛的拓展應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

圖8 典型工況下的發(fā)動機進口畸變圖譜Fig.8 The engine inlet distortion map of typical operating conditions