一種基于四桿機構的民用飛機雷達罩運動機構設計

陳魯峰，陸　丹

(上海飛機設計研究院 結構部，上海 201210)

一種基于四桿機構的民用飛機雷達罩運動機構設計

陳魯峰，陸丹

(上海飛機設計研究院 結構部，上海 201210)

摘要：運動機構對民用飛機雷達罩在航線正常運行的維修性有非常重要的作用。對現役傳統機型的雷達罩運動機構的結構形式進行了研究和分析，設計出一種基于“四桿機構+氣彈簧”運動機構形式。將其與傳統機型進行了對比，具有結構形式簡單、操作方便等特點。

關鍵詞：四桿機構；氣彈簧；雷達罩運動機構

0引言

民用飛機雷達罩一般安裝在飛機機頭最前端，是構成機身的一部分。雷達罩除了作為結構件維持飛機氣動外形外，同時作為氣象雷達天線的電磁透波窗口，還要滿足氣象雷達天線對它的電性能要求，盡量降低對雷達電波的影響。此外，相對于軍用飛機，作為投入航線運營的商用飛機，雷達罩的結構要滿足飛機在外場對氣象雷達的使用維護要求。因此，合適的雷達罩開啟閉合機構在維護過程中尤為重要。

參考《飛機設計手冊》[1]和工程經驗，雷達罩運動機構的設計一般要滿足以下要求：

(1)雷達罩能夠繞機頭前氣密端框旋轉運動，使得雷達罩能夠打開特定角度；

(2)雷達罩打開角度需能滿足外場檢修雷達天線及其內部結構的要求；

(3)根部布置撐桿以保證雷達罩在完全打開角度時能夠維持打開狀態；

(4)撐桿應該有足夠的剛度承受外場風載等地面載荷；

(5)不能影響前端框的氣密線；

(6)不影響雷達的掃射區域。

1傳統機型的運動機構形式

傳統機型的雷達罩運動機構一般都采用“鉸鏈+撐桿”的組合，A320飛機雷達罩運動機構如圖1所示。其鉸鏈機構為鵝頸結構，在前氣密端框前上部布置鉸鏈支座。撐桿為具有伸縮功能的支桿，并帶有限位鎖，能夠保證雷達罩維持開啟狀態。操作時，外場機務人員需將雷達罩抬起至特定角度待限位鎖自動鎖定。關閉雷達罩時，需一人抬住雷達罩，一人松開限位鎖，然后緩慢關閉雷達罩。

圖1　A320飛機雷達罩運動機構

經過對比分析，大部分現役飛機的雷達罩運動機構都能基本上滿足雷達罩正常的啟閉和維護，但是也存在以下缺點：

(1)因鉸鏈機構布置在非氣密區，需在前氣密端框外另布置鉸鏈支座和結構，增加了結構復雜性；

(2)撐桿具有伸縮功能，但無法提供輔助力，外場維護人員開啟時需用較大的力抬起雷達罩。

2四桿機構的運動原理

四桿機構是機構設計中最常用的一種形式。按照連架桿能否可以做整周轉動，鉸鏈四桿機構可以分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。由于受運動空間限制，雷達罩運動機構采用的四桿機構為雙搖桿機構，即其中一個連桿固定作為機架，另兩個連桿可繞固定點轉動，如圖2所示[2]。

圖2　四桿機構原理圖

結合雷達罩運動機構的特點，為了實現雷達罩打開時能夠維持特定開啟角度，需在雷達罩與飛機機頭間布置撐桿，“四桿機構+雷達罩撐桿”的使用如圖3所示。O1、O2和O3點固定在飛機上，其中O1是撐桿在飛機上的支撐點，O2和O3是四桿機構的固定點。A、B和C點在雷達罩上，分別繞3個固定點旋轉，其中A、B兩點是四桿機構中運動的點，桿O2A和桿O3B構成了四桿機構中旋轉的兩個桿。C點為撐桿在雷達罩上的支撐點，O1C表示了撐桿的運動和伸縮。G點表示雷達罩中心，其位置變化代表雷達罩的運動和關閉。

圖3　四桿機構在雷達罩上的應用

3雷達罩鉸鏈機構的設計

在某型民用飛機雷達罩設計中，運用了四桿機構，同時撐桿采用了氣彈簧，在雷達罩打開的時候可以提供輔助支撐力，適當減小機務人員的操作力。如圖4所示。

圖4　四桿機構在某型飛機上的應用

雷達罩關閉時，撐桿初始長度762mm。在雷達罩運動過程中，當長度減至702mm時，氣彈簧處于完全壓縮狀態。雷達罩開啟到位時，氣彈簧處于完全伸展狀態，長度929mm。撐桿長度變化如圖5所示。

圖5　雷達罩開啟角度的變化

雷達罩的開啟過程可以簡化描述為剛體的平面運動，因此，其應滿足力矩平衡方程：

設定雷達罩重量46kg，雷達罩關閉時，手動開啟施力點在雷達罩最下側。根據力矩平衡方程，利用雷達罩開啟關閉運動軌跡，從而得到手動操作力變化圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，操作力最大值出現在雷達罩完全打開時，F=140N。相比無輔助力的撐桿，完全打開時候操作力約為230N，減小約40%。

圖6　操作力變化圖

撐桿的支撐力隨著開啟角度的變化如圖7所示。

圖7　撐桿支撐力變化圖

4雷達罩撐桿鎖定機構的設計

為了方便機務人員操作時能夠輕松的釋放限位鎖，在撐桿的根部設計了一個“按鈕式”的機構，使用可轉動的銷軸將機構外殼與軸承端連接，形成一個以可轉動銷軸為軸心的力矩杠桿。

根據人機工程學有關分析，手操作輕型按鈕允許的最大用力不超過5N，重型按鈕最大作用力不超過30N[3]。考慮鎖定外殼寬度32mm，最多允許兩指按壓，因此，手按壓解鎖力暫定為5N，如圖8所示。

手指按壓外殼從鎖定狀態到外殼上揚5.8°，壓縮彈簧共向下壓縮2.3mm。根據GB/T1239.6-92《圓柱螺旋彈簧設計計算》，選定中徑D=6mm，簧絲直徑d=0.8mm，彈簧圈數n=15,彈簧剛度p=1.25N/mm。

圖8　鎖定機構按鈕設計

5與傳統機構的對比

通過在某型號的雷達罩運動機構中采用“四桿機構+氣彈簧”的設計，具有以下優點：

(1)在不影響氣密線和不需增加多余結構的情況下，可以實現雷達罩順利平滑地開啟和關閉；

(2)由于撐桿采用了氣彈簧，能夠在雷達罩開啟時提供輔助力，機務人員的操作力減小40%；

(3)氣彈簧的阻尼效果可以使得雷達罩關閉時能夠緩慢地閉合，避免意外發生；

(4)采用按鈕式的撐桿鎖定機構，操作簡便。

6結語

通過“四桿機構+氣彈簧”實現雷達罩運動，結構形式簡單，方便安裝。相比傳統機型，具有更好的操作性和維護性。但是，在本文涉及機型的研制過程中，由于受總體輸入條件的影響，撐桿在運動過程中長度先縮短后伸長，因此，開啟過程不能設計成理想的無需操作力，僅在撐桿支撐力下就能打開的情況。盡管如此，本文的設計為以后雷達罩運動機構的設計提供了較好的思路和基礎。

參考文獻

[1] 《飛機設計手冊》總編委員會.飛機設計手冊:第10冊-結構設計[M].北京:航空工業出版社,2000:292-293.

[2] 孫桓,陳作模.機械原理[M].6版.北京:高等教育出版社,2001:190-191.

[3] 胡萍.人機工程學在工程機械設計中的綜合應用[J].機械制造,2009,47(1):56-58.

[責任編輯、校對：東艷]

A Mechanism for Civil Aircraft Rodame Based on Four-bar Linkage

CHENLu-feng,LUDan

(Structure Design Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210,China)

Abstract：Mechanism plays an important role for the maintainability of civil aircraft rodame during its service life.This paper researches and analyzes the conventional radome mechanisms,and a mechanism configuration based on "four-bar linkage + gas spring" is designed.Through the comparison with conventional configurations,the mechanism reveals advantages such as simplified structure,convenient operation,etc.

Key words：four-bar linkage;gas spring;radome mechanism

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：陳魯峰(1986-)，男，山東陽谷人，工程師，主要從事飛機結構設計研究。

中圖分類號：V214.2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)03-0003-03