翼尖顫振數據異常分析

邢達波 李鐵林

翼尖顫振數據異常分析

邢達波 李鐵林

本文針對飛行試驗中飛機左平尾翼尖顫振數據異常現象，從測試方法、顫振傳感器、飛行數據及飛行狀態等方面分析數據異常現象原因，通過地面試驗對故障現象進行分析，并結合實際試飛數據確定了其發生原因。

顫振是彈性體在氣流中發生的不穩定振動現象，其產生原理： 彈性結構在均勻氣流中由于受到彈性力、慣性力和氣動力的耦合作用，結構上的瞬時氣動力與彈性位移之間有位相差，導致振動的結構可能從氣流中吸取能量而擴大振幅，從而發生了振幅不衰減的自激振動。

顫振飛行試驗是新機或有重大改型試驗飛機都必須進行的試飛科目，是世界公認的Ⅰ類風險試飛科目。某試驗飛機在飛行中發生了左翼尖顫振數據異常的情況，為確保大強度機體結構科目試飛的測試要求，本文對此故障做了較為詳細的分析研究并采取了相應的解決方案。

顫振測試工作原理

顫振傳感器工作原理

3741B型顫振傳感器是壓阻式振動傳感器，是一種慣性式傳感器， 通常采用梁島結構，一般通過懸臂梁或連結梁支撐懸掛，通過離子注入或擴散工藝在梁上制作壓敏電阻。

工作原理是：測量物體加速度是基于牛頓第二定律，即物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比，即a = F/ m。當物體以加速度運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，帶動支撐梁發生扭曲或彎曲等變形，即質量塊和彈簧組成的慣性系統將加速度轉換為質量塊和外殼間的相對位移，也就是彈性元件的應變，再通過粘貼或擴散在彈性元件上的應變計將應變變換為電阻值的變化。把彈性元件上的四個或兩個應變計接成惠斯登電橋形式，就可把加速度引起的應變計的電阻變化變換為電壓或電流的變化，即可得出加速度值的大小。傳感器結構見圖1。

顫振測試原理

根據飛行試驗課題要求，左右平尾翼尖顫振測試都選用3741B型顫振傳感器，左平尾翼尖顫振傳感器采集的電壓信號經過BZL-2A調節器放大后一路信號給FES激勵系統，另一路顫振電壓信號進入差動電壓采集卡，右平尾翼尖顫振傳感器采集的顫振電壓直接通過應變電橋采集卡測量。其測試原理框圖如圖2所示。

數據異常分析及解決方案

數據異常現象描述

飛機左平尾翼尖顫振數據異常現象表現為：在大速度飛行狀態中，當FES系統工作時，左平尾翼尖顫振數據時而出現超量程的跳點，從而引起FES系統自動切斷。

具體現象為：在性能品質、航電試飛課目中，試驗飛機左右平尾翼尖顫振數據均正常。在顫振試飛科目中，當速度不大于800KM/H時，顫振數據正常，當速度超過800KM/H時且FES系統不工作時顫振數據正常，但當飛機速度超過800KM/H，并且FES系統工作時，左平尾翼尖顫振測試值會突然出現超量程的現象，導致FES系統自動切斷，而右平尾翼尖顫振數據正常。左平尾翼尖異常數據如圖3所示。

圖1　壓阻式加速度傳感器典型結構

圖2　左右翼尖顫振測試原理框圖

圖3　左平尾翼尖異常顫振數據

圖4　配重加固后的左平尾翼尖顫振數據

數據異常現象分析與解決方法

針對上述現象，通過對飛機進行FES系統地面激勵試驗，但是顫振數據正常。飛機在試飛過程中，只有左平尾翼尖顫振數據出現問題，而右平尾翼尖顫振數據正常，并且左右翼尖都安裝了相同型號的顫振傳感器。在測試方法上，左平尾翼尖顫振傳感器信號經過BZL-2A調

節器放大后再進入采集板卡，右平尾翼尖顫振傳感器數據通過應變電橋采集卡直接采集。

針對此情況，首先對板卡、傳感器或調節器等可能造成數據異常的設備進行分析，并通過大量地面試驗發現故障并非是由上述原因引起的。

其次對壓阻式傳感器安裝工藝進行分析，通過調節顫振傳感器安裝方式，發現飛行試驗數據依然存在跳點。

最后對試驗飛機顫振數據跳點問題出現的情況進行詳細分析，發現導致數據異常的條件比較苛刻，是不是在某個特定的飛行狀態時刻，平尾翼尖本身就產生了那么大的振動，而測試結果反映了真實的振動情況。

針對這一設想，通過地面試驗最終發現左平尾翼尖里面的配重塊不是一個整體，而是由前后兩個鉛塊組成，前端配重塊隨著翼尖振動在里面晃動，在試驗某個時刻達到共振時，地面數據監測發現數據會出現跳點。

解決方案：第一次采用螺母把兩個配重塊固定的方式，通過地面試驗驗證，數據沒有出現跳點，但在實際顫振飛行中，偶爾還是會發生數據超量程而導致FES系統自動切斷的情況。不過通過實際的飛行數據，發現左平尾翼尖顫振數據超量程的點明顯減少，說明之前采取的方式還是有效的，具體如圖4所示。

針對此情況，分析結果是兩個配重鉛塊所采取的連接方式在大速度高強度的振動中，產生了輕微松動，而在地面試驗中又沒法復現實際的飛行狀態，所以地面試驗數據結果正常不能證明實際飛行數據也一定正常。

最后，采用一體成型的配重塊替換原先的左平尾翼尖配重塊，在接下來的顫振飛行試驗過程中，數據正常，沒有再發生自動切斷FES激勵系統的現象。

小結

關于翼尖配重塊對顫振數據的影響，是試飛課題中首次發現，由于試驗條件不夠，本文只是定性地發現了其固定方式對飛行的影響，沒能更深入地定量地去分析配重塊固定方式對飛行的具體影響程度。本文主要是給從事科研試飛工程師提供一種參考，當以后遇到類似的問題，可以開拓一種思路，提高解決問題效率。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.014