艙門載荷的飛行實測

劉敬禮張 麗

1.中國飛行試驗研究院飛機所；2.中航工業一飛院適航技術所

艙門載荷的飛行實測

劉敬禮1張 麗2

1.中國飛行試驗研究院飛機所；2.中航工業一飛院適航技術所

某飛機艙門是由電液伺服裝置驅動的，艙門載荷飛行實測是驗證和優化艙門設計載荷的重要依據，考慮艙門具體結構，將艙門開啟后的飛行載荷測量轉變成艙門驅動裝置輸出軸的載荷測量。本文主要采用常規應變電測法結合導電滑環的方法進行測量，并介紹艙門驅動裝置輸出軸的載荷標定試驗方法、試驗結果以及飛行實測結果情況。

為驗證某型機艙門部件在開啟和關閉過程中艙門飛行載荷的風洞試驗結果，采用應變電測法，在艙門驅動裝置輸出軸上改裝應變計電橋，將艙門飛行載荷轉換成艙門驅動裝置輸出軸扭矩載荷，通過載荷地面標定試驗和飛行試驗來測量輸出軸上的扭矩載荷。本文主要介紹輸出軸的扭矩載荷飛行測量方法、地面載荷標定試驗以及飛行試驗的實測結果。

艙門載荷標定試驗

艙門結構

本次試驗的原型為多旋臂支撐艙門，如圖1所示，通過驅動裝置來實現艙門的開閉，驅動裝置位于第二、三旋臂之間，旋轉作動器連接傳動軸（或驅動軸）和旋臂。在艙門開閉過程中，艙門承受的氣動載荷始終與驅動裝置的輸出扭矩平衡。

測量原理

旋轉部件的飛行載荷測量，與固定部件的載荷測量使用的基本原理一致，最簡單可靠的就是傳統的應變電測法。在驅動裝置輸出軸上粘貼應變計，感受輸出軸傳遞給艙門的扭矩載荷。根據機上真實狀態將旋臂、旋轉作動器、傳動軸、輸出軸安裝于系統試驗臺上，如圖2所示。考慮艙門的結構特點，在載荷標定試驗時將其簡化為不帶艙門的四個旋臂。通過作動筒對四個旋臂的末端進行加卸載，以模擬艙門氣動載荷的作用。

測量的難點在于如何安全可靠的把旋轉件上的測量信號傳遞出來。目前常用的有兩種方法：1）無線信號發射接收裝置。需在旋轉部件上安裝無線發射裝置（無線電或紅外通信），對安裝空間有特殊需求，并且可能受載機上其它信號的干擾，發射裝置在跟隨旋轉軸轉動時，會造成接收裝置收到的信號強度發生變化，有時甚至會失去信號；2）導電滑環。類似定子和轉子的關系，轉子隨軸轉動，通過刷絲或刷片將信號傳遞給定子，如圖3所示。因滑環的接觸部分不斷摩擦，導致其接觸電阻的變化和使用壽命的降低，影響信號傳遞的精度等。通過適當減小接觸電阻并保持穩定，可以顯著提高滑環信號的傳輸精度。

圖1 艙門結構

本文將導電滑環和應變電測相結合來測量旋轉軸的載荷，如圖4所示。在驅動裝置輸出軸的適當部位粘貼四片應變計，按惠斯登電橋的全橋方式連接。該種應變計電橋的優點是：1）具有良好的溫度補償功能；2）能夠消除彎曲應力、軸向應力的影響。

圖2 試驗加載設備

圖3 導電滑環的結構

圖4 導電滑環的應變電測法

試驗設備和方法

試驗設備為艙門驅動裝置生產廠家的系統試驗臺，在作動筒末端安裝載荷傳感器，可以得知施加的標定載荷。本次除了進行艙門的靜態標定，還嘗試進行了艙門開關過程中的動態標定。載荷標定試驗時考慮艙門的結構特點將其簡化為不帶艙門的四個旋臂。通過作動筒對四個旋臂的末端進行加卸載。

圖5 載荷－應變響應曲線

圖6 載荷－應變時間曲線

圖7 100%動態加載過程的載荷應變曲線

1）靜態標定：模擬飛行中艙門最大開度時承受的氣動載荷。將輸出軸安裝到系統試驗臺上，將艙門開度保持在最大，在不旋轉的狀態下，進行靜態載荷的開、關門方向的分級加卸載的標定試驗（關門方向加載為負，開門方向加載為正）；

2）動態標定：模擬飛行中艙門的開、關全過程。將輸出軸安裝到系統試驗臺上，在旋轉狀態下，進行靜態載荷的開、關門方向的加卸載。具體方法：先施加某量級的載荷，且保持載荷不變的前提下將旋臂旋轉，記錄此過程的應變、載荷數據。加載順序為：先施加開門方向某臺階載荷并保持，然后關、開門方向各旋轉兩次，再進行下一臺階載荷的加載，依次進行開門方向和關門方向的加卸載。

圖8 Hp=11km，平飛Ma=1.46，開艙門

標定試驗數據分析

靜態試驗數據

由載荷－應變電橋的響應曲線可以看出，如圖5所示，艙門最大開度時，在使艙門打開方向加、卸載過程中，載荷－應變曲線存在滯回環，但整體還是呈線性變化；然而在使艙門關閉方向加載的中間段和卸載的初始段均出現較明顯的變化，使得載荷應變曲線的滯回環更大。推測可能的原因是：旋臂與作動器的間隙、各旋臂間轉動角度差異及卸載過程中加載裝置卡滯引起的。

在圖6中給出了艙門靜態載荷標定時應變計電橋和標定載荷的時間歷程曲線。由該圖可知，開、關門方向的加載載荷曲線與應變計電橋響應呈對應的臺階變化，但在開始卸載時，可能由于旋臂的間隙、卡滯或各旋臂轉動角度的微小差異，造成應變響應延遲，導致同一量級載荷在加、卸載時對應的應變值反而不同。最終得到的校準誤差為5%。

動態數據

在圖7中給出了動態加載的載荷－應變曲線，在動態標定試驗開、關艙門過程中，載荷和應變的尖峰僅出現在開、關艙門的瞬間，且關門瞬間的載荷尖峰變化較大。在開、關艙門到位后也出現了相同校準載荷下對應不同應變值的現象，可能是開、關艙門時不同的旋轉速度、不同的扭矩傳遞效率以及關門到位后部分載荷被艙門支持結構承擔引起的。

飛行試驗結果

就某次飛行中的兩次開艙數據進行分析。飛機起飛前，應變計電橋響應初值為109με。在圖8中示出了在平飛機動過程中開關艙門的應變計電橋響應時間歷程曲線。在開艙門前，應變計電橋響應的均值為162με；在艙門開到位后，應變計電橋響應的變化區間為113με～206με；在艙門打開過程中應變計電橋響應變化較大，尤其在即將開到位前，應變計電橋響應變化相當劇烈，艙門驅動裝置輸出軸的扭矩載荷最大為－407Nm和709Nm。

圖9 Hp=5km，盤旋機動，Nz=5.5時開艙門，Nz=3.28時關艙門

在圖9中示出了在盤旋機動過程中開關艙門的應變計電橋響應時間歷程曲線。在艙門開啟前，法向過載不斷增大，應變計電橋響應值變化不大，均值大約91με，說明在艙門關閉狀態下艙門驅動裝置輸出軸的扭矩載荷隨法向過載的變化很小；在艙門打開過程中，應變計電橋響應變化較大，尤其在即將開到位前，應變計電橋響應變化很劇烈，應變計電橋的響應達到了正的極值，艙門驅動裝置輸出軸的扭矩載荷最大為－1095Nm，在打開艙門前的某瞬間，輸出軸的扭矩載荷最大為629Nm；在艙門開到位后，應變計電橋響應值變化趨勢與法向過載變化趨勢相一致；在艙門關閉過程中，應變計電橋響應隨法向過載的變化也不大。

結束語

（1）本次載荷標定靜態試驗數據出現的最大載荷時應變跟隨性較差的現象，推斷原因是旋轉作動器間隙、各旋臂間轉動角度差異及卸載過程中加載裝置卡滯引起的；

（2）動態標定試驗中出現的相同載荷作用下開、關門到位后應變數據不同的現象，可能是開、關門時不同的旋轉速度、不同的扭矩傳遞效率以及關門到位后部分載荷被艙門支持結構承擔引起的；

（3）飛行中艙門打開到位前的某個瞬間，艙門承受的載荷值最大，打開過程中艙門承受的載荷變化劇烈，艙門打開到位后，艙門載荷隨法向過載的變化而變化，關閉過程中艙門承受的載荷變化較小。

劉敬禮（1982- ）男，山東臨朐人，工程師，從事飛機載荷測量工作；張麗（1981-）女，黑龍江雙城人，高級工程師，從事飛機安全性設計。