曾文斌

摘 要

在飛機(jī)的起飛、降落、巡航飛行中，襟翼運(yùn)動(dòng)起著重要的作用。全機(jī)有多塊內(nèi)、外襟翼，當(dāng)分別繞各自不同的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的圓錐運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)所有的內(nèi)、外襟翼同步運(yùn)動(dòng)，需對(duì)每塊襟翼上的不同作動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)、布局及對(duì)作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。介紹主要現(xiàn)代客機(jī)襟翼作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算方法及內(nèi)、外襟翼同步運(yùn)動(dòng)中的誤差計(jì)算與分析。

關(guān)鍵詞

后緣襟翼;同步;運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

中圖分類號(hào)： V224.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 07

Abstract

The flap movement in the airplane plays an important role during the process of taking off， landing and cruising. The inner and outer flaps which whirl about their different sports respectively， produce different conical motion. In order to achieve the synchronized movement of all the inner and outer flaps， the design， layout， and motion of the actuator parameters should be calculated for different actuators on each flap. This paper describes the method of actuator kinematic calculation and the inner and outer flap synchronized movement of error calculation and analysis for the modern airplane.

Key words

Trailing edge flaps; The synchronized movement; Kinematic calculations

0 緒論

襟翼控制系統(tǒng)是大型民用飛機(jī)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，主要是和襟翼后退偏轉(zhuǎn)改變機(jī)翼彎度和面積，以增加飛機(jī)起飛時(shí)的升力和著陸時(shí)的升力及阻力，從而縮短飛機(jī)起飛和滑跑距離，改善飛行性能[1]。

對(duì)襟翼控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的最基本的設(shè)計(jì)要求是要保持襟翼運(yùn)動(dòng)線系的同步性。因?yàn)轱w機(jī)襟翼的收放處在飛機(jī)起降的關(guān)鍵階段，一旦襟翼控制系統(tǒng)發(fā)生故障，特別是襟翼不同步時(shí)（行業(yè)內(nèi)稱之為剪刀差），則將導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響飛行安全[2]。民航飛機(jī)適航條例CCAR-25部中對(duì)此做了明確的要求[3]。

隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，目前襟翼舵面的同步性設(shè)計(jì)都是采取一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方式。如果把整個(gè)運(yùn)動(dòng)線系都在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)，那么舵面運(yùn)動(dòng)將會(huì)保持同步。但是實(shí)際設(shè)計(jì)中，基本上所有機(jī)型的襟翼轉(zhuǎn)軸都具有一定的空間角度，所以在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程是無法實(shí)現(xiàn)完全同步的。另外，對(duì)于大型客機(jī)而言，襟翼舵面沿翼展方向的尺寸長達(dá)十幾米，經(jīng)常是兩個(gè)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)同一襟翼舵面運(yùn)動(dòng)，如果兩個(gè)作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)不同步，則會(huì)形成力紛爭，扭轉(zhuǎn)襟翼翼面，造成結(jié)構(gòu)的破損。

對(duì)于大型飛機(jī)而言，其襟翼的類型主要分為簡單式的和后退式兩種。本文中主要介紹簡單式襟翼的運(yùn)動(dòng)同步。對(duì)于簡單式襟翼而言，由于機(jī)翼內(nèi)段和外段差異較大，從而導(dǎo)致內(nèi)外襟翼的轉(zhuǎn)軸也不在同一直線上。內(nèi)襟翼軸線一般與機(jī)身軸線基本垂直，而外襟翼可能既上翹又后掠，使得內(nèi)外襟翼在同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)需順應(yīng)差異大的機(jī)翼外形，這便大大增加了作動(dòng)器設(shè)計(jì)與計(jì)算的難度。內(nèi)外襟翼的轉(zhuǎn)軸存在一定的空間位置關(guān)系。內(nèi)襟翼的轉(zhuǎn)軸線較“平”，而外襟翼轉(zhuǎn)軸線是一根上翹及后掠的空間直線，且轉(zhuǎn)軸線距機(jī)翼下方較遠(yuǎn)。內(nèi)外襟翼各自繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相對(duì)于各自轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)的角度就是襟翼的運(yùn)動(dòng)角度。

簡單式單縫襟翼其運(yùn)動(dòng)可以看成為一個(gè)圓錐運(yùn)動(dòng)（見圖1）。由于內(nèi)外襟翼轉(zhuǎn)軸線與機(jī)翼的弦平面并非平行，而是形成一夾角。這樣，舵面繞轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)形成了一個(gè)圓錐運(yùn)動(dòng)（一部分）。然而，“平“的內(nèi)襟翼轉(zhuǎn)軸線決定了內(nèi)襟翼作錐角很小的圓錐運(yùn)動(dòng)，近似于圓柱運(yùn)動(dòng)，而外襟翼偏轉(zhuǎn)為錐度很大的圓錐運(yùn)動(dòng)。這種差異極大的圓錐在運(yùn)動(dòng)時(shí)要達(dá)到同步，勢必難度很大[4]。

為使內(nèi)外襟翼在作差異很大的圓錐運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到同步，較好的辦法是采用兩套襟翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別推動(dòng)內(nèi)外襟翼運(yùn)動(dòng)，只需在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間采用簡單的協(xié)調(diào)同步措施。這種辦法已廣泛應(yīng)用在早期的大、中型客機(jī)上。然而，現(xiàn)代客機(jī)從減重和簡化系統(tǒng)復(fù)雜度角度出發(fā)，目前通用的設(shè)計(jì)方式均采用由一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來同時(shí)推動(dòng)內(nèi)、外襟翼運(yùn)動(dòng)。這無疑對(duì)內(nèi)外襟翼同步運(yùn)動(dòng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

為了保證氣動(dòng)性能的穩(wěn)定性，除了同一個(gè)襟翼一面的作動(dòng)器所產(chǎn)生的舵面運(yùn)動(dòng)必須同步之外，內(nèi)外兩塊襟翼的運(yùn)動(dòng)也應(yīng)基本保持同步。因此，內(nèi)、外襟翼作動(dòng)器的合理配置及相關(guān)參數(shù)的比較計(jì)算非常重要。從理論上而言，由于兩舵面的轉(zhuǎn)軸線的差異，幾乎無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外襟翼的完全同步運(yùn)動(dòng)。唯一的辦法是使內(nèi)、外襟翼在運(yùn)動(dòng)過程中，同一時(shí)刻，或相同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的誤差最小。要達(dá)到這一目的，需要對(duì)內(nèi)、外襟翼作動(dòng)器進(jìn)行多次修改參數(shù)、漸進(jìn)計(jì)算，最終達(dá)到允許的誤差范圍內(nèi)。

對(duì)于大型民用飛機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要采用同一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過硬式扭力管傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過多個(gè)作動(dòng)器分別推動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)。一般而言，扭力管等傳動(dòng)線系都是可以實(shí)現(xiàn)同步的。但是由于內(nèi)外襟翼存在空間位置關(guān)系，所以連接襟翼的作動(dòng)器也會(huì)存在一定的空間位置關(guān)系。而如何對(duì)不同位置上的作動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)來保證整體的同步，將成為整個(gè)襟翼操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5]。

1 設(shè)計(jì)方案

為確保內(nèi)外側(cè)襟翼在運(yùn)動(dòng)全過程實(shí)現(xiàn)同步，該型飛機(jī)襟翼控制系統(tǒng)采用如圖2所示的設(shè)計(jì)方案。

襟翼控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示：在正常工作模式下，將正常/備用切換開關(guān)切換至正常狀態(tài)，狀態(tài)切換繼電器切換切至正常狀態(tài)（線圈不供電斷開），操縱襟翼操縱手柄產(chǎn)生目標(biāo)襟翼運(yùn)動(dòng)指令，襟翼控制計(jì)算機(jī)同時(shí)采集/處理襟翼操縱手柄襟翼運(yùn)動(dòng)指令和APPU位置輸出裝置反饋襟翼位置信號(hào)，并向高速電磁閥和伸出/收回電磁閥發(fā)出通斷信號(hào)，給液壓馬達(dá)供壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)線系旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)滾珠螺旋作動(dòng)器將傳動(dòng)線系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲桿的伸出/收回的直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)襟翼的收上/放下運(yùn)動(dòng)。在正常工作模式下，當(dāng)出現(xiàn)了高速電磁閥和伸出/收回電磁閥集成閥塊或液壓馬達(dá)故障，另一側(cè)高速電磁閥和伸出/收回電磁閥集成閥塊或液壓馬達(dá)功能完好，即在降級(jí)工作模式下，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速變?yōu)?.5倍額定輸出轉(zhuǎn)速，輸出扭矩恒定不變，襟翼收放時(shí)間相對(duì)增加約為正常工作模式的一倍。

在備用工作模式下，將正常/備用切換開關(guān)切換至備用狀態(tài)，狀態(tài)切換繼電器切換切至備用狀態(tài)（線圈供電吸合），通過操縱備用操縱開關(guān)產(chǎn)生目標(biāo)襟翼運(yùn)動(dòng)指令，直接向高速電磁閥和伸出/收回電磁閥發(fā)出通斷信號(hào)，給液壓馬達(dá)供壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)線系旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)滾珠螺旋作動(dòng)器將傳動(dòng)線系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲桿的伸出收回的直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)襟翼的收上/放下運(yùn)動(dòng)，駕駛員通過觀察襟翼位置顯示，判斷襟翼收上/放下是否到位，從而判斷是否將備用操縱開關(guān)扳至 “停止”位，最終實(shí)現(xiàn)襟翼收上/放下。在備用工作模式下，當(dāng)出現(xiàn)了高速電磁閥和伸出/收回電磁閥集成閥塊或液壓馬達(dá)故障，另一側(cè)高速電磁閥和伸出/收回電磁閥集成閥塊或液壓馬達(dá)功能完好，即在降級(jí)工作模式下，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)速變?yōu)?.5倍額定輸出轉(zhuǎn)速，輸出扭矩恒定不變，襟翼收放時(shí)間相對(duì)增加約為正常工作模式的一倍。

該在研大型飛機(jī)單側(cè)機(jī)翼各包括一片內(nèi)襟翼和一片外襟翼，如圖3所示A-A、B-B、C-C和D-D剖面位置分別擬一根安裝滾珠絲杠作動(dòng)器;內(nèi)襟翼內(nèi)側(cè)滾珠絲杠作動(dòng)器（A-A）到機(jī)身對(duì)稱平面投影長度2220mm，擬采用2根扭力桿和1個(gè)支架;滾珠絲杠作動(dòng)器（A-A）到滾珠絲杠作動(dòng)器（B-B）見投影長度3160mm，擬采用2根扭力桿和1個(gè)支架;內(nèi)側(cè)襟翼和外側(cè)襟翼存在前掠角度4°，在滾珠絲杠作動(dòng)器（C-C）到滾珠絲杠作動(dòng)器（B-B）投影長度3025mm，擬采用3個(gè)扭力桿和兩個(gè)支架;在滾珠絲杠作動(dòng)器（C-C）到滾珠絲杠作動(dòng)器（D-D）投影長度1733mm，在（C-C）和（D-D）之間安裝翼尖制動(dòng)器），為此采用兩個(gè)扭力桿;襟稍位置安裝位置輸出裝置。左側(cè)襟翼布局情況與右側(cè)襟翼布局情況呈對(duì)稱關(guān)系。

2 作動(dòng)器參數(shù)配置

該大型民用飛機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)采用的同一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過硬式扭力管傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過多個(gè)作動(dòng)器分別推動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)。一般而言，扭力管等傳動(dòng)線系都是可以實(shí)現(xiàn)同步的。但是由于內(nèi)外襟翼存在空間位置關(guān)系，所以連接襟翼的作動(dòng)器也會(huì)存在一定的空間位置關(guān)系。而如何對(duì)不同位置上的作動(dòng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)來保證整體的同步，將成為整個(gè)襟翼操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)線系的從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、萬向節(jié)、傳達(dá)桿到作動(dòng)器這段的運(yùn)動(dòng)都是由滾動(dòng)轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)的模式，因此，需要對(duì)內(nèi)、外襟翼作動(dòng)器的位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行合理配置，確保在三個(gè)工作位置上內(nèi)外襟翼的同步性最好。換言之，也就是要使內(nèi)、外襟翼在運(yùn)動(dòng)過程中，同一時(shí)刻，或相同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的誤差最小。為了便于計(jì)算，首先要對(duì)襟翼運(yùn)動(dòng)線系進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，把復(fù)雜的物理運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系變成簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)。

2.1 同一舵面上兩作動(dòng)器位置選擇

舵面作動(dòng)器的主要功能是克服舵面上的氣動(dòng)外載（切向分力）推動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)（放下和收上）。最理想的作動(dòng)器的布置，應(yīng)近似放在氣動(dòng)外載（切向分力）合力點(diǎn)的兩側(cè)等距處。然而，實(shí)際上，受結(jié)構(gòu)承力及力傳遞的限制，作動(dòng)器很難布置在理想位置上。一般作動(dòng)器布置在結(jié)構(gòu)的襟翼支撐點(diǎn)位置附近。而且通常我們將作動(dòng)器布置在與襟翼轉(zhuǎn)軸相垂直的平面內(nèi)，四個(gè)剖面的作動(dòng)器根據(jù)各個(gè)剖面的空間位置和載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，每個(gè)剖面處舵面搖臂的半徑也不相同。

2.2 作動(dòng)器安裝位置參數(shù)計(jì)算

當(dāng)作動(dòng)器沿翼展方向位置確定之后，則作動(dòng)器所在的翼剖面與轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)O（b、Y下）即可確定下來，如圖 4所示。設(shè)P為作動(dòng)器在機(jī)翼結(jié)構(gòu)（后梁）上的連接點(diǎn)，它對(duì)計(jì)算作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)影響很大。Q為作動(dòng)器與襟翼的連接點(diǎn)，它既要考慮與襟翼（襟翼搖臂）連接的空間大小，又要考慮與作動(dòng)器的上止動(dòng)塊位置有關(guān)。同時(shí)，它還決定了襟翼的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

第一步，選取A-A剖面作動(dòng)器剖面在結(jié)構(gòu)限制范圍內(nèi)進(jìn)行P、Q參數(shù)預(yù)選，據(jù)已知的a、b、H、Y下則可以得到A-A剖面的f、C、L、r、β四個(gè)參數(shù)值如表1所示。

第二步，A-A剖面作動(dòng)器參數(shù)確定的情況下，再根據(jù)A-A剖面的參數(shù)來求B-B、C-C、D-D剖面的參數(shù)。

為使舵面繞轉(zhuǎn)軸作圓錐運(yùn)動(dòng)，則兩作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)面必須平行，參數(shù)必須成比例，設(shè)B-B剖面的OQ1為A-A剖面的OQ1的n倍，即兩個(gè)剖面處的舵面搖臂半徑之比為n。則即B-B剖面的PQ1為A-A剖面的PQ1的n倍，B-B剖面的PQ2為A-A剖面的PQ2的n倍，B-B剖面的PO為A-A剖面的PO的n倍。

根據(jù)兩個(gè)剖面的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以用數(shù)學(xué)解析法求解B-B剖面的參數(shù)。這個(gè)過程列方程和求解都非常復(fù)雜，難度較大，可采用編程方式利用MATLAB軟件進(jìn)行求解。用類似的方法，確定了適合的滿足外側(cè)襟翼同步性的C-C剖面和D-D剖面作動(dòng)器的參數(shù)選取。

已建立了襟翼系統(tǒng)計(jì)算分析數(shù)學(xué)模型，通過此模型可計(jì)算出各剖面作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如表2所示。

2.3 作動(dòng)器參數(shù)計(jì)算

通過上述計(jì)算我們可以看出，對(duì)各個(gè)剖面的作動(dòng)器而言，其運(yùn)動(dòng)行程雖基本相同，但舵面搖臂長度不一，因此，為了保證運(yùn)動(dòng)的同步性，那么對(duì)于各滾珠絲桿作動(dòng)器的導(dǎo)程必須分別計(jì)算。