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(wèi)軍

【摘 要】本文通過對大型民用飛機后緣襟翼的剖面參數(shù)、后緣襟翼機構(gòu)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(gòu)參數(shù)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(guān)鍵詞】后緣襟翼；運動機構(gòu)；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(yōu)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(xiàn)中形成了不同風格的機構(gòu)。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(shù)、后緣襟翼機構(gòu)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(gòu)參數(shù)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(shù)

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(zhuǎn)，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(guān)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(shù)即可定義襟翼的位置[2]，如圖1所示。

2 后緣襟翼機構(gòu)運動設計要求及方法

后緣襟翼機構(gòu)設計方面的設計目標與要求如下：

（1）襟翼運動機構(gòu)、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(jié)構(gòu)變形而卡滯或降低功能；

（2）襟翼運動機構(gòu)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(gòu)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(gòu)應具有防磨損措施；

（5）襟翼運動機構(gòu)應滿足適航標準及相關(guān)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(jù)襟翼狀態(tài)要求及縫道要求等選擇運動機構(gòu)的形式、運動形式及運動參數(shù)，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(gòu)平面運動設計。首先要在平面內(nèi)協(xié)調(diào)各運動構(gòu)件的運動關(guān)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(gòu)進行不斷的完善修改。

（3）襟翼運動機構(gòu)的空間運動分析。待平面運動完善后，根據(jù)各運動構(gòu)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(jù)三維運動設計各滑軌的曲面，確定滑輪架的型式及各構(gòu)件的連接；

（4）完成襟翼運動機構(gòu)各構(gòu)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(gòu)的運動功能模型，開展機構(gòu)運動功能原理驗證試驗。

3 后緣襟翼運動原理設計及參數(shù)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(nèi)的平面曲柄滑塊機構(gòu)。襟翼運動主要控制襟翼運動過程的三個位置狀態(tài)，即收起、起飛及著陸狀態(tài)。襟翼在這三個位置的所有參數(shù)已知，而在三個位置之間的其它中間位置由機構(gòu)運動規(guī)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(shù)，以桿長不變或移動方位角不變?yōu)榧s束條件來建立方程，對機構(gòu)尺寸進行綜合設計的一種方法[4]。

根據(jù)曲柄轉(zhuǎn)動點坐標、襟翼上某點在巡航、起飛、著陸狀態(tài)的坐標、滑塊與襟翼連接點3個狀態(tài)下的坐標及襟翼巡航、起飛、著陸狀態(tài)之間的夾角，輔以驅(qū)動連桿定長約束條件、驅(qū)動連桿定軸轉(zhuǎn)動約束條件以及轉(zhuǎn)動軸單位向量約束條件即可計算確定出襟翼機構(gòu)各構(gòu)件及運動副的參數(shù)，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(xié)調(diào)不一致，會使兩者產(chǎn)生較大的相對變形，如圖3和圖4所示。根據(jù)后緣襟翼運動設計要求，襟翼運動不能因結(jié)構(gòu)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(xié)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(chǎn)生的附加載荷得到控制；

（3）避免結(jié)構(gòu)由于變形干涉導致的結(jié)構(gòu)破壞；

（4）改善機翼后緣變形不協(xié)調(diào)區(qū)域的設計環(huán)境；

（5）降低飛機巡航構(gòu)型狀態(tài)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(jù)襟翼和機翼主翼盒結(jié)構(gòu)變形及受載情況，應對內(nèi)外端頭限位件輪廓進行聯(lián)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(jié)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(huán)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(xié)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(jié)構(gòu)設計[M]. 航空工業(yè)出版社，2001.

[2]儀志勝，何景武. 民用飛機后緣襟翼機構(gòu)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(gòu)設計與數(shù)學分析[J]. 科技創(chuàng)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(shù)[J]，2016，（19）：88-92.