大型民用飛機后緣襟翼運動設計研究

魏偉　張元卿　何瑞　崔衛軍

【摘 要】本文通過對大型民用飛機后緣襟翼的剖面參數、后緣襟翼機構運動設計要求及方法、后緣襟翼的運動原理設計、后緣襟翼機構參數計算流程以及后緣襟翼的變形運動控制等方面介紹，為大型民用飛機后緣襟翼運動設計提供了思路和方法。

【關鍵詞】后緣襟翼；運動機構；變形控制

中圖分類號： V226 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.061

0 引言

民用飛機后緣襟翼常用的形式有開裂式襟翼、簡單襟翼、單縫襟翼、雙縫襟翼、三縫襟翼、富勒式襟翼和吹氣襟翼等[1]。不同形式的襟翼有各自不同的優缺點，但主流大型客機均采用了富勒襟翼，只是在具體富勒運動實現中形成了不同風格的機構。因此本文著重對富勒襟翼的運動進行分析研究，介紹了后緣襟翼的剖面參數、后緣襟翼機構運動設計要求及方法、后緣襟翼的運動原理設計、后緣襟翼機構參數計算流程以及后緣襟翼的變形運動控制。

1 后緣襟翼的剖面參數

富勒襟翼可以看作開縫襟翼的變形，將襟翼厚度變薄，變薄的長度是機翼后緣向后延伸的長度。這種襟翼向后滑動較大距離并向下偏轉，所以不僅增大了機翼的彎度，而且增大了作為機翼性能要素的面積，從而可以得到更大的升力。

襟翼在運動過程中有三個關鍵的工作位置，起飛、巡航及著陸，襟翼的位置是由縫隙寬度、重疊量和偏角決定。襟翼偏角δ、富勒運動量F、重疊量O、縫隙G，這幾個參數即可定義襟翼的位置[2]，如圖1所示。

2 后緣襟翼機構運動設計要求及方法

后緣襟翼機構設計方面的設計目標與要求如下：

（1）襟翼運動機構、主翼、子翼及機體之間的間隙應滿足完成各種功能的要求，不能因結構變形而卡滯或降低功能；

（2）襟翼運動機構所選用的運動形式應滿足強度、剛度、氣動外形要求，重量的分布要有利于防止顫振；

（3）襟翼運動機構應利于裝拆，維修簡單，盡量減少特殊的專用工具；

（4）襟翼運動機構應具有防磨損措施；

（5）襟翼運動機構應滿足適航標準及相關咨詢通報。

為滿足以上設計要求，后緣襟翼運動設計過程可分解為以下幾個步驟：

（1）根據襟翼狀態要求及縫道要求等選擇運動機構的形式、運動形式及運動參數，選定后即確定了襟翼各特征點的運動曲線。

（2）襟翼運動機構平面運動設計。首先要在平面內協調各運動構件的運動關系，分析其運動機理、是否有運動死點及干涉情況；然后進行計算機的二維運動仿真及干涉檢查，對運動機構進行不斷的完善修改。

（3）襟翼運動機構的空間運動分析。待平面運動完善后，根據各運動構件及舵面的運動要求，每塊襟翼各條滑軌（或支點）的相對位置也就確定了各特征點的空間運動軸線方向，故就可以進行空間運動的分析，進行計算機的三維運動仿真設計，檢查干涉及運動間隙；根據三維運動設計各滑軌的曲面，確定滑輪架的型式及各構件的連接；

（4）完成襟翼運動機構各構件的設計。操縱力盡可能在支點附近，并且操縱點的確定應盡量使左右兩部分的扭矩積累值大致均勻，操縱搖臂盡可能的凸出翼型少一點，操縱力沿展向的分力盡可能不傳到后緣襟翼上。

（5）設計并制造運動機構的運動功能模型，開展機構運動功能原理驗證試驗。

3 后緣襟翼運動原理設計及參數計算

實際中后緣襟翼的運動是一種復雜三維空間運動，但由于后緣襟翼要求為順氣流運動[3]，則可以簡化為順氣流平面內的平面曲柄滑塊機構。襟翼運動主要控制襟翼運動過程的三個位置狀態，即收起、起飛及著陸狀態。襟翼在這三個位置的所有參數已知，而在三個位置之間的其它中間位置由機構運動規律決定。可以采用剛體位移矩陣法對該類問題進行求解。位移矩陣法是以各運動副位置坐標為參數，以桿長不變或移動方位角不變為約束條件來建立方程，對機構尺寸進行綜合設計的一種方法[4]。

根據曲柄轉動點坐標、襟翼上某點在巡航、起飛、著陸狀態的坐標、滑塊與襟翼連接點3個狀態下的坐標及襟翼巡航、起飛、著陸狀態之間的夾角，輔以驅動連桿定長約束條件、驅動連桿定軸轉動約束條件以及轉動軸單位向量約束條件即可計算確定出襟翼機構各構件及運動副的參數，計算流程如圖2所示。

4 后緣襟翼變形運動控制

后緣襟翼翼面通過多點支撐與主翼盒相連，各飛行工況下，由于襟翼與主翼盒的剛度差異較大[5]，變形協調不一致，會使兩者產生較大的相對變形，如圖3和圖4所示。根據后緣襟翼運動設計要求，襟翼運動不能因結構變形而卡住或降低功能，可在襟翼翼面及端面設置限位滾輪以協同襟翼與翼盒的變形，如圖5所示。襟翼與主翼盒之間的合理限位設計，帶來以下設計受益：

（1）解決襟翼與主翼盒間的剛度匹配問題；

（2）襟翼與主翼盒間由于變形不一致產生的附加載荷得到控制；

（3）避免結構由于變形干涉導致的結構破壞；

（4）改善機翼后緣變形不協調區域的設計環境；

（5）降低飛機巡航構型狀態下襟縫翼和主機翼間的變形階差，保證機翼外形的符合性；

（6）光順外形，減少氣動阻力和燃油消耗。

根據襟翼和機翼主翼盒結構變形及受載情況，應對內外端頭限位件輪廓進行聯動設計，合理設計輪廓以滿足主翼盒和襟翼變形后的運動控制要求，限位輪廓要保證襟翼限位滾輪能進入到設定的運動軌跡上，確保襟翼正常收放，如圖6所示。輪廓導入點的設計需要充分考慮襟翼和主翼盒間的相對變形、襟翼滑軌站位的影響以及襟翼作動器載荷的變化影響。

5 結語

后緣襟翼的運動是一種復雜三維空間運動，在設計過程中面臨著載荷復雜、運行環境嚴酷等設計特點，且在各種飛行工況下，還需要考慮與主翼盒的變形協同問題。本文通過多方面介紹和研究，為大型民用飛機后緣襟翼運動設計提供了思路和方法。

【參考文獻】

[1]《飛機設計手冊》總編委會. 飛機設計手冊第10冊結構設計[M]. 航空工業出版社，2001.

[2]儀志勝，何景武. 民用飛機后緣襟翼機構設計仿真計算研究[J]. 飛機設計，2010，30（1）：43-46.

[3]嚴少波， 黃建國. 飛機后緣襟翼運動同步性設計和計算[J]. 民用飛機設計與研究，2011，（1）：20-32.

[4]郭仕賢. 后緣襟翼運動機構設計與數學分析[J]. 科技創新導報，2012，（29）：185-187.

[5]王一飛，李慶飛，陳建華，等. 大型客機復合材料襟翼剛度設計技術[J]，2016，（19）：88-92.