Cessna172飛機水平測量技術研究

易思云 龍小輝 陳霄陽

（1.中國民航飛行學院飛機修理廠，四川 德陽 618300；2.中國民航飛行學院機務處，四川 德陽 618300）

0 引言

Cessna172飛機是美國塞斯納飛機公司生產的單發四座上單翼多用途飛機，是我國目前飛行訓練的主力機種之一，使用頻率和強度非常高。在我國Cessna 172飛機主要是作為初級教練機使用，而作為初級教練機使用的屬性，其必然會存在超限飛行、重著陸或其他偶發事件引起的過載現象，這些過載事件會導致機翼、機身、尾翼等機體結構件產生一定程度的永久變形，當變形達到某一特定程度后，必定會明顯影響飛機的飛行性能和操縱性能，嚴重時甚至會危及飛行安全。此外，在Cessna172飛機重大結構損傷修復完成后，需對修復后飛機的機身、機翼、尾翼等重要結構的形面變化或相對位置變化進行測量和控制，以保證飛機保持應有的飛行性能和操縱性能。據了解，某飛行學院的Cessna172機群已普遍老齡化，部分飛機的飛行小時數超過18000h，而因巨大的飛行強度和超長的飛行時間，飛機防火墻、機翼隔框、機翼連接點、尾翼等關鍵部位可能會產生一定程度的變形。如何對進行飛機結構檢修的飛機和老齡化飛機開展水平測量，以評估和控制飛機重要部位的變形情況，保證飛機應有的飛行性能和操縱性能，已成為當前該機群亟待解決的重要課題。

1 國內Cessna172飛機水平測量現狀

Cessna172飛機維護手冊（AMM）[1]中沒有水平測量方法和標準，美國塞斯納飛機公司或國內外其他飛機使用單位也沒有評估和判斷Cessna172飛機結構變形的科學有效的方法。對于在結構大修和損傷修復時進行水平測量，可以采用傳統測量方法[2]，也可以采用目前大型飛機水平測量所使用的常規水平測量方法和非常規水平測量方法[3]。Cessna172飛機傳統測量方法是使用機翼千斤頂、機翼托架、氣泡水平儀將飛機頂平，再使用水平儀、卷尺等簡單的工具進行尺寸測量和目視觀察，以判定機身、機翼、安定面等結構的變形情況，未建立一套科學、有效的水平測量技術體系，無法科學、客觀地制定損傷修復方案，無法準確評估與控制飛行性能和操縱性能。

2 測量系統說明

文獻[4]對激光跟蹤儀的組成和功能進行了介紹，激光跟蹤儀具有高精度、遠程控制、自動目標搜索和跟蹤的優點。文獻[5]指出了Leica AT403型激光跟蹤儀應用在Cessna172飛機水平測量中的具體方法，即利用海克斯康Leica AT403型激光跟蹤儀搭配B-Probe進行測量數據采集，布置轉站點，利用Poly Works軟件將不同測量位置的測量點數據擬合在一個坐標系里面，并完成測量數據的存儲、分析與處理。

首先選取合適的測量位置，利用激光跟蹤儀遠程控制、自動目標搜索和跟蹤的特點，對飛機一側的測量點進行連續測量。然后布置轉站點，用反射球測量轉站點坐標，利用Poly Works軟件實現激光跟蹤儀的轉站，將左右測量點的數據都擬合在一個空間坐標系中，完成飛機另一側各測量點的測量，測量界面如圖1所示。利用Poly Works軟件對各測量點坐標數據進行處理、輸出，對測量數據進行后期處理，得到能直觀表現Cessna172飛機機翼、尾翼、機身等形面狀況的特征參數，實現對Cessna172飛機結構變形情況的準確評估。

圖1 Cessna172飛機水平測量界面

3 Cessna172飛機水平測量方法

3.1 測量坐標系的選定

選取機身門框前后兩個隔框上的艙門固定點為測量基準點，以前隔框處門框鉸鏈上的安裝螺釘頭（左點a，右點b，O′為ab中點）和后隔框門閂上的固定螺釘頭（左點u，右點v，O為uv中點）為基準點。X軸：以O為坐標原點，OO′沿機頭方向為X軸正向；Y軸：以O為坐標原點，Ou為Y軸正向，Ov為Y軸負向；Z軸：按右手定則建立Z軸，則以O為坐標原點，垂直于XOY平面向上為Z軸正向，反之則為負向。坐標系示意圖如圖2所示。

3.2 測量點的選定

（1）為了準確測量各形面的變形，有如下測量點選取原則：

1）具有代表性的機翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點；

2）具有代表性的尾翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點；

3）機身重要隔框具有代表性的鉚釘中心點；

4）為便于測量以減少誤差，機翼上選點均在機翼下表面，水平尾翼選點均在尾翼上表面。

（2）按照以上原則，總共選取23個測量點，如圖2所示。

圖2 坐標系和測量點示意圖

1）機身測量點：在機身艙門前隔框、艙門后隔框、機身FS228.68站位隔框和機身背鰭，共選取7個具有代表性的鉚釘作為測量點，分別記為a點、b點、c點、d點、u點、v點、p點。機身站位如圖3所示。

2）機翼測量點：選取左右機翼208.00WS、100.00WS站位處翼肋分別與機翼前后翼梁相交處的鉚釘作為測量點。左右機翼共8個測量點，分別為e點、f點、g點、h點、i點、j點、k點、l點。機翼站位如圖3所示。

圖3 Cessna172飛機站位

3）水平尾翼測量點：選取水平尾翼前梁、后梁與外側翼肋相交處的鉚釘作為測量點。共4個測量點，分別為m點、n點、q點、r點。

4）垂直尾翼測量點：選取垂直尾翼前梁、后梁上部鉚釘作為測量點。共4個測量點，分別為s點、t點、s′點、t′點。

3.3 水平測量數據采集

先在飛機一側完成12個測量點的測量數據采集工作。在對整機進行測量時，在飛機單側不能進行全部的數據采集，因此需要把激光跟蹤儀轉站到另一側，繼續完成11個測量點的測量數據采集工作。為了將兩側的測量數據在一個坐標系中展現，需要在兩側分別測量轉站點。使用Poly Works軟件，利用轉站點的坐標，將兩側的測量點坐標數據擬合到一個空間坐標系中。

3.4 確定測量要素的特征參數

測量23個點得出它們的三維坐標，為直觀地表現Cessna172飛機結構狀況，需要將點坐標轉換為角度數據和對稱性數據。

3.4.1 機翼安裝角

機翼安裝角是機翼翼根弦線與機身軸線之間的夾角。Cessna172飛機機翼內側部分在機翼站位39.00WS至71.125WS處有結構油箱，因此機翼內側部分結構強度很大，不會產生變形的情況。測量100.50WS處前后翼梁與翼肋交點的數據，利用前后交點的Z軸和X軸坐標按照下式計算的數據，定義為Cessna172飛機左右機翼安裝角。

（1）左機翼：ik與XOY平面夾角，用表征；

（2）右機翼：jl與XOY平面夾角，用表征。

3.4.2 機翼上反角

Cessna172飛機機翼安裝是從根部向外，有一個上翹的角度，這個上翹的角度就叫上反角。測量機翼前梁與100.50WS（翼中）、190.00WS（翼尖）翼肋交點的數據，利用翼中和翼尖Z軸和Y軸坐標按照下式計算的數據，定義為Cessna172飛機左右機翼上反角。

（1）左機翼：ei與XOY平面夾角，用表征；

（2）右機翼：fj與XOY平面夾角，用表征。

3.4.3 垂尾安裝角

垂尾安裝角是垂直尾翼弦線與機身軸線之間的夾角。測量垂尾前后梁與最上端尾翼隔框在左右兩側交點的坐標數據，計算得到垂尾弦線與機身軸線之間的夾角，用表征。

3.4.4 垂尾傾斜角

垂尾傾斜角是垂直尾翼在Z軸方向的傾斜角。測量垂尾前梁與最上端尾翼隔框在左右兩側交點的坐標數據，測量FS228.68隔框左右兩邊對應的兩點坐標數據。對比計算這兩組坐標數據，計算出垂尾傾斜角，用表征。

3.4.5 平尾安裝角

平尾安裝角是水平尾翼弦線與機身軸線之間的夾角。測量水平尾翼前后梁與外側平尾隔框交點的坐標數據，按照下式計算得到平尾弦線與機身X軸線之間的夾角。

3.4.6 平尾上反角

Cessna172飛機平尾安裝是從根部向外，有一個上翹的角度，這個上翹的角度就叫上反角。測量水平尾翼后梁與外側平尾隔框交點的坐標數據，按照下式計算得到平尾與機身Y軸線之間的夾角。

3.4.7 機翼和平尾的對稱性

機翼對稱性是對左右機翼在X、Y、Z方向是否對稱、對稱是否改變的評估，測量左右機翼后梁與機翼外側翼肋的交點，對比左右兩點在三個方向的差值，得出機翼的對稱性。平尾對稱性是對左右水平尾翼在X、Y、Z方向是否對稱、對稱是否改變的評估，測量左右水平尾翼后梁與外側隔框的交點，對比左右兩點在三個方向的差值，得出平尾的對稱性。

（1）機翼對稱性：用|Xh-Xg|、|Yh-Yg|、|Zh-Zg|表征；

（2）水平尾翼對稱性：用|Xr-Xq|、|Yr-Yq|、|Zr-Zq|表征。

3.4.8 機翼的變形

（1）機翼的彎曲變形：機翼的彎曲變形是對機翼在Y軸方向是否存在形變、形變程度的評估，將機翼前后梁與機翼外側翼肋交點的Z軸數據去平均數來表征機翼的彎曲變形情況。

1）左機翼：用（Ze+Zg）/2表征；2）右機翼：用（Zf+Zh）/2表征。

（2）機翼的扭曲變形：機翼的扭曲變形是對機翼是否存在扭轉形變的評估。利用機翼前后梁與機翼100.50WS翼肋的交點坐標，以及機翼前后梁與機翼外側翼肋的交點坐標，計算100.50WS機翼弦線和翼尖機翼弦線與X軸的角度，再計算它們的差值，得到機翼的扭曲變形情況。

3.4.9 機身的變形

（1）機身的彎曲變形：機身的彎曲變形是對飛機分別在Z軸方向和Y軸方向變形情況的評估。即計算FS228.68左右對稱的兩點在Z軸方向的平均數，來表征機身在XOZ平面的形變數據；計算FS228.68左右對稱的兩點在Y軸方向的平均數，來表征機身在XOY平面的形變數據。

1）機體坐標系：XOZ平面，用|（Zd+Zc）/2|表征；2）機體坐標系：XOY平面，用|（Yd+Yc）/2|表征。

（2）機身的扭曲變形：機身的扭曲變形是對機身是否存在扭轉形變的評估。利用FS228.68左右對稱的兩點的坐標，計算其連線與XOY平面的夾角得出機身的扭曲變形情況，用表征。

3.5 Cessna172飛機水平測量數據處理

在Poly Works軟件中對測量數據的輸出格式進行調整，使其輸出數據更加簡潔。為方便將Poly Works軟件輸出的大量測量點坐標數據樣本計算為能直觀表現飛機狀態的特征參數，將3.4中的特征參數計算公式編寫成一款專用計算軟件，計算軟件界面如圖4所示。將測量點坐標數據輸入該計算軟件，得出所需的表征飛機狀態的特征參數。

圖4 水平測量專用計算軟件

4 結語

應用驗證得知，該Cessna172飛機水平測量方案具有更高的測量精度，比傳統測量方法更科學、有效，并能節約50%的時間，在對Cessna172飛機進行重大結構損傷修復和老齡飛機的機體形面變形情況的判定時具有重要作用，可以有效保證飛機應有的飛行性能和操縱性能，對保障Cessna172機群飛行安全具有重要意義。此外，本研究成果可為開展其他機型水平測量技術研究提供理論借鑒。