民用飛機(jī)迎角傳感器安裝精度研究

平 洋*，王 意，鄒燦東

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210）

引言

迎角傳感器是專門用于測量飛機(jī)迎角（Angle of Attack, AOA）的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種民用航空機(jī)型[1]。迎角傳感器與實現(xiàn)失速保護(hù)邏輯的計算機(jī)相連通，前者為后者提供飛機(jī)迎角信息，用于失速保護(hù)系統(tǒng)功能觸發(fā)，二者合稱為失速保護(hù)計算機(jī)SPC（Stall Protection Computer）。失速試飛中，隨著飛機(jī)迎角的增加氣流分離逐漸加強(qiáng)，飛機(jī)的運(yùn)動呈現(xiàn)為明顯的非線性[2]。大迎角飛行品質(zhì)指標(biāo)與迎角變化有較大關(guān)系[3]。迎角數(shù)據(jù)的精確性會直接影響參數(shù)辨識的準(zhǔn)確度[4]，從而影響失速保護(hù)系統(tǒng)的工作性能，所以對迎角傳感器在飛機(jī)機(jī)身上的安裝精度有較高要求。

文獻(xiàn)[1]提出迎角傳感器在機(jī)身上的安裝位置選取方法，文獻(xiàn)[4]提出迎角傳感器高精度安裝方案和標(biāo)校方法，其他相關(guān)論文主要針對迎角傳感器校準(zhǔn)[5]、補(bǔ)償[6]及解算方法[7]，然而都未給出具體計算模型。因此，本研究通過建立迎角傳感器安裝精度計算模型，經(jīng)計算得出理論安裝精度偏差，并針對計算模型給出影響傳感器安裝精度的關(guān)鍵因素，為工藝操作提供依據(jù)。

1 迎角傳感器工作原理

風(fēng)標(biāo)式迎角傳感器主要由兩部分組成：風(fēng)標(biāo)葉片和內(nèi)部傳感器。風(fēng)標(biāo)葉片是一個可以在一定角度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動的金屬葉片，在飛機(jī)與大氣氣流形成相對運(yùn)動時，氣流帶動伸出機(jī)身外表面的風(fēng)標(biāo)到達(dá)一個平衡位置，即表征氣流相對飛機(jī)的角度。葉片的轉(zhuǎn)動會聯(lián)動內(nèi)部的傳感器，得出葉片所在角度，傳感器將測量到的飛機(jī)迎角數(shù)據(jù)提供給計算機(jī)作為數(shù)據(jù)輸入信息。

迎角傳感器安裝時需要將其自身基準(zhǔn)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)對齊，盡量達(dá)到校零狀態(tài)，否則傳感器測出的迎角數(shù)據(jù)會疊加有結(jié)構(gòu)安裝誤差，誤導(dǎo)計算機(jī)工作。迎角傳感器的迎角測量性能直接影響失速保護(hù)系統(tǒng)的工作性能，對飛行安全非常關(guān)鍵。

2 機(jī)身結(jié)構(gòu)

迎角傳感器一般安裝在飛機(jī)機(jī)頭部位，某型民機(jī)將迎角傳感器安裝在機(jī)頭前下部壁板上，見圖1，蒙皮上需開出安裝迎角傳感器的通過孔，該孔應(yīng)在蒙皮制造狀態(tài)時由工廠鈑金車間按三維數(shù)據(jù)制出。

圖1 蒙皮零件開孔示意

迎角傳感器安裝墊板為帶外形的機(jī)加件，由數(shù)控銑床加工，見圖2。墊板上開有兩處定位銷配合孔和多個緊固件通孔。

圖2 迎角傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)情況

墊板零件裝配時，根據(jù)蒙皮上的開孔位置來確定墊板位置，保證墊板朝向機(jī)身外側(cè)的凹槽與蒙皮孔間隙均勻，保證墊板四周部位與相鄰結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。由于墊板零件需同時與蒙皮及周圍框、角材零件貼合，安裝時需要在確定墊板位置后，在墊板與機(jī)體零件貼合面間采取加墊、打磨等措施消除間隙和干涉。

3 裝配分析

迎角傳感器安裝墊板上定位銷孔連線與飛機(jī)水平基準(zhǔn)線在傳感器裝配面內(nèi)的夾角α 定義為傳感器的結(jié)構(gòu)安裝誤差，見圖3。

圖3 迎角傳感器安裝誤差示意

迎角傳感器從飛機(jī)外部安裝，通過傳感器底座上的定位銷與安裝墊板上的定位銷孔配合定位，其電氣連接器應(yīng)在傳感器殼體的底部，迎角傳感器的底座適配蒙皮開口外形，安裝二維示意圖見圖4。

圖4 迎角傳感器安裝二維示意

迎角傳感器的位置依靠墊板上的兩個定位銷孔確定，并用螺栓、游動托板螺母最終固定。由于墊板在裝配時會存在一定安裝誤差，因此不考慮在墊板處于零件狀態(tài)時制出定位銷孔和緊固件通孔。工廠需要在墊板完成安裝后，利用工裝定位制出兩個定位銷孔和其余安裝孔，并在緊固件通孔上安裝游動托板螺母。墊板上的開孔情況見圖5，兩個定位銷孔尺寸設(shè)計為一大一小，定位銷孔B 的直徑比A 略大，可避免迎角傳感器的誤安裝。由工廠設(shè)計一種專用工裝件來幫助孔的定位，該工裝件外形適配蒙皮開孔尺寸，其上本身帶有的開孔能精確模擬對應(yīng)傳感器上定位銷與緊固件安裝孔的位置與尺寸。將工裝件與壁板組件共同定位在型架上，調(diào)整工裝件位置與蒙皮開孔對應(yīng)并固定，通過工裝件上的開孔對其后的墊板進(jìn)行精確鉆孔，確保墊板上開孔位置與尺寸同工裝件上一致。壁板組件從工裝上卸下后直到最終裝配，只需將傳感器按照對應(yīng)孔位插入并擰緊緊固件即可。

圖5 傳感器安裝角度調(diào)整方法示意

某型民機(jī)上墊板定位銷孔A 與B 的孔中心間距為86.8 mm，定位銷孔A 的半徑與傳感器定位銷半徑吻合，此時將定位銷孔B 的半徑擴(kuò)大0.6 mm，傳感器底座安裝進(jìn)墊板后，插入孔A 的定位銷與孔剛好配合固定，插入孔B 的定位銷可繞孔A 的圓心在孔B 中做圓弧運(yùn)動，來達(dá)到調(diào)整迎角安裝精度的功能，傳感器底座可以此做約±0.4°的旋轉(zhuǎn)調(diào)整。這種為了控制一個方向的角度精度而降低另一個方向的角度精度或者位置精度的方法，是高精度機(jī)械安裝設(shè)計中常采用的方法[4]。在每組緊固件通孔中，兩邊為托板螺母的鉚釘固定孔，中間為安裝螺栓通過孔，將螺栓通過孔做0.5 mm 的半徑擴(kuò)大，同時蒙皮開口輪廓與傳感器底座輪廓、墊板開口輪廓與傳感器殼體輪廓間保持1 mm 的均勻間隙，以及游動托板螺母提供的徑向游動量，共同為前述旋轉(zhuǎn)調(diào)整提供運(yùn)動空間。迎角傳感器最終安裝固定后，底座與蒙皮間的間隙做填膠處理。

4 安裝精度計算

根據(jù)上節(jié)給出的安裝墊板模型和迎角傳感器模型，可有如下計算：

（1） 迎角傳感器成品件上的兩個定位銷直徑是3.200 mm，公差是±0.010 mm；兩定位銷孔中心點(diǎn)之間的距離為86.8 mm，公差是±0.010 mm，兩定位銷孔中心連線與飛機(jī)水平基準(zhǔn)間夾角的公差是±0.15°。

（2） 現(xiàn)場工藝給出的定位銷開孔直徑精度為（0～0.006）mm，兩定位銷孔中心距的公差為（-0.005 ～+0.005）mm，兩定位銷孔中心位置度公差為0.800 mm。

（3） 不考慮上節(jié)提出的加大一個定位銷孔提供調(diào)整空間的做法，使兩個定位銷孔直徑一致，由此可得到保守的迎角傳感器最終安裝偏差。由（1）可知，兩個定位銷直徑最大為3.210 mm，而工藝制造時兩定位銷孔中心距公差為（-0.005 ～+0.005）mm。為保證能夠安裝定位銷，兩定位銷開孔直徑需分別增加0.005 mm（制孔設(shè)備自身的公差較小可忽略），即（3.200+0.005）mm。再考慮到開孔直徑的精度為（0 ～0.006）mm，則兩個定位銷孔實際最大開孔直徑為（3.210+0.005+0.006）mm=3.221 mm。迎角傳感器兩定位銷開孔情況見圖6。

圖6 迎角傳感器兩定位銷開孔情況示意

（4） 由（1）可知，兩個定位銷直徑最小值為3.190 mm，則由于孔軸配合導(dǎo)致的角度偏差θ1為：

（5） 由工藝造成的兩定位銷開孔中心位置度公差為0.800 mm，由此產(chǎn)生的角度偏差θ2為：

（6） 兩定位銷孔中心連線與飛機(jī)水平基準(zhǔn)間夾角的公差為±0.15°。

綜合（4）、（5）、（6），迎角傳感器與飛機(jī)水平基準(zhǔn)間夾角總的安裝誤差為：

（注：本研究所使用數(shù)據(jù)為非真實數(shù)據(jù)。）

5 結(jié)論

針對國內(nèi)某型民用飛機(jī)在機(jī)身上安裝迎角傳感器的工作，提出一種迎角傳感器安裝精度的分析方法，由分析計算過程得到以下結(jié)論：

（1） 迎角傳感器成品件直徑大小是安裝精度的重要影響因素，直徑較大時有利于降低安裝角度偏差，但會增加相關(guān)結(jié)構(gòu)重量，因此前期設(shè)計時應(yīng)綜合考慮選取大小適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱桶惭b精度要求。

（2） 墊板零件上的定位銷開孔直徑和中心距偏差是影響傳感器安裝孔軸配合導(dǎo)致的角度偏差的因素，兩種偏差值控制越小，傳感器安裝精度越高。

（3） 墊板零件上的定位銷開孔位置度偏差是影響傳感器安裝精度的重要因素，努力提高孔中心的位置精度可大幅提高傳感器最終安裝精度，可考慮采取高精度激光測量儀等工具提高開孔定位精度。

（4） 在墊板零件上制孔的時機(jī)會對最終安裝精度產(chǎn)生影響，應(yīng)盡量選擇在飛機(jī)裝配的后續(xù)階段實施，避開累積公差和形變的不利因素，具體方案與工藝協(xié)商確定。