□ 李 鋒 □ 魏志豪 □ 李心娟 □ 張阿龍 □ 夏楊歡

1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院 西安 710021 2.西部機(jī)場(chǎng)集團(tuán)漢中機(jī)場(chǎng)有限公司 陜西漢中 723099

1 設(shè)計(jì)背景

飛機(jī)在飛行過(guò)程中,空氣動(dòng)力首先會(huì)作用在蒙皮上。蒙皮是飛機(jī)外部面積最大的部件,在飛機(jī)的每一次起飛與降落過(guò)程中,蒙皮都經(jīng)歷著周期性膨脹或收縮。加之環(huán)境溫度、氣壓等因素的影響,蒙皮容易產(chǎn)生變形和裂紋。這些損傷累積到一定程度,會(huì)對(duì)飛機(jī)的安全飛行造成嚴(yán)重影響,因此飛機(jī)蒙皮的損傷探測(cè)尤為重要[1]。

目前,飛機(jī)蒙皮的探傷主要是通過(guò)機(jī)務(wù)人員的目視檢查或人工手持檢測(cè)設(shè)備來(lái)完成。這類(lèi)方法不僅耗時(shí)耗力,而且檢查的準(zhǔn)確度與可靠性不高。因此,對(duì)于飛機(jī)的航線檢查與定期檢查而言,迫切需要一種能夠快速靈活接近飛機(jī)蒙皮表面各個(gè)部位,實(shí)時(shí)顯示蒙皮表面狀況的探傷裝置。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)飛機(jī)蒙皮探傷進(jìn)行了一些探索性研究。南京航空航天大學(xué)王昊在文獻(xiàn)[2]中介紹:美國(guó)威奇塔州立大學(xué)的Bentham Bahr研制出一款名為ROSTAM的機(jī)器人,該機(jī)器人裝有可向不同方位運(yùn)動(dòng)的四個(gè)機(jī)械臂,并且可以通過(guò)機(jī)身上的裝置完成行走和轉(zhuǎn)向功能,還可以通過(guò)視頻傳感系統(tǒng)和無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)蒙皮進(jìn)行探傷;美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)也研制了一種機(jī)器人,該機(jī)器人采用超聲信號(hào)進(jìn)行操控,將機(jī)器人的視覺(jué)信號(hào)通過(guò)聲波通道反饋至計(jì)算機(jī),可以方便地為維修人員提供清晰、直觀的圖像和三維立體視頻,但這一機(jī)器人的移動(dòng)位置有限制,只可以在飛機(jī)的上表面展開(kāi)工作。

王昊[2]采用機(jī)器人搭載電荷耦合器件攝像頭和無(wú)線傳輸設(shè)備,采集飛機(jī)蒙皮表面實(shí)時(shí)圖像并傳回地面控制站,應(yīng)用模式識(shí)別相關(guān)技術(shù)對(duì)飛機(jī)蒙皮損傷進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)吳天華[3]依托機(jī)器人平臺(tái),采用機(jī)器視覺(jué)、數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別等技術(shù),完成了老齡飛機(jī)蒙皮缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。上述對(duì)飛機(jī)蒙皮探傷的研究都是基于機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的,主要采用壁面爬行機(jī)器人,爬行效率低,速度慢,對(duì)于大飛機(jī)整個(gè)蒙皮的檢測(cè)來(lái)說(shuō)時(shí)間較長(zhǎng),尤其不適合用于航前的快速檢查。

筆者將無(wú)損檢測(cè)方法和旋翼機(jī)結(jié)合起來(lái),以四旋翼無(wú)人機(jī)為載體,搭載超聲探傷系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)蒙皮的快速實(shí)時(shí)檢測(cè),不僅可以滿足飛機(jī)蒙皮無(wú)損探測(cè)的要求,而且能夠大大節(jié)省時(shí)間,降低成本,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 應(yīng)用條件

目前,我國(guó)民航領(lǐng)域主要的機(jī)型中:波音737-800長(zhǎng)39.5 m,翼展34.3 m,高12.5 m;空客A320長(zhǎng)37.57 m,翼展34.1 m,高11.76 m[4]。機(jī)型的尺寸決定了無(wú)人機(jī)的工作區(qū)域。

由于上述飛機(jī)較大,在蒙皮探傷過(guò)程中,檢測(cè)工作面臨設(shè)備接近困難、表面狀況復(fù)雜、缺陷形式多樣、檢查頻次高等諸多問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題,對(duì)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提出以下要求:① 能平穩(wěn)飛行;② 能按照規(guī)定飛行路線進(jìn)行檢測(cè);③ 能滿足不同位置、不同曲面的檢測(cè)要求;④ 能將檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳至地面控制系統(tǒng);⑤ 能將檢測(cè)區(qū)域的高清圖片傳至地面控制系統(tǒng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)蒙皮裂紋探傷設(shè)備由四旋翼無(wú)人機(jī)、超聲探傷設(shè)備、圖像傳輸系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)等組成,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.遮光板；2.相機(jī)；3.超聲探測(cè)儀；4.無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)；5.飛行控制器；6.超聲探頭；7.機(jī)械臂；8.圖像傳輸模塊；9.飛行數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)；10.電子調(diào)速器；11.電池；12.機(jī)架；13.電機(jī)；14.螺旋槳

3.1 四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)包括機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳、電子調(diào)速器、電池、飛行控制器、無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)。機(jī)架采用全碳纖維結(jié)構(gòu)。電機(jī)采用無(wú)刷電機(jī),驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為動(dòng)力裝置。采用高負(fù)載電子調(diào)速器,機(jī)載的高容量鋰聚合物電池為整套系統(tǒng)提供能源。

采用工業(yè)級(jí)多旋翼飛行控制器,安裝于無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)上,使無(wú)人機(jī)具有姿態(tài)自穩(wěn)、自動(dòng)定高定點(diǎn)懸停、遙控信號(hào)丟失后自動(dòng)降落、自動(dòng)記錄飛行數(shù)據(jù)等功能。

飛行數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)由發(fā)射模塊和接收模塊組成,采用433 MHz頻率。發(fā)射模塊安裝于四旋翼無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)上,與飛行控制器連接,可以將無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)、電池電壓、飛行控制系統(tǒng)電壓等信息發(fā)送至接收模塊。接收模塊安裝于地面控制系統(tǒng)中,用于接收飛行數(shù)據(jù)信息,供工作人員對(duì)無(wú)人機(jī)的工況做出判斷。

3.2 超聲探傷設(shè)備

超聲探傷設(shè)備由超聲探測(cè)儀、探頭、機(jī)械臂組成。超聲探測(cè)儀可以顯示探測(cè)處的波形,通過(guò)波形大致可以判斷傷情。采用空氣耦合式探頭[4-5],避免與探測(cè)表面直接接觸。采用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭的移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)不同翼面不同位置的探測(cè)。具體方法是在機(jī)械臂上安裝步進(jìn)電機(jī),通過(guò)遙控裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),從而改變探頭的方向。舵機(jī)可以控制機(jī)械臂的每一個(gè)節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂自主運(yùn)動(dòng)。對(duì)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行編程,可以使機(jī)械臂在人工操縱下運(yùn)動(dòng)。

3.3 圖像傳輸系統(tǒng)

圖像傳輸系統(tǒng)由遮光板、高分辨率相機(jī)和圖像傳輸模塊組成。圖像傳輸系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線保真或者藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞?將超聲探測(cè)儀的波形圖和飛機(jī)蒙皮表面的高清照片以實(shí)時(shí)視圖的形式傳輸至地面控制系統(tǒng)的顯示器中,通過(guò)兩幅圖的聯(lián)合對(duì)比,幫助地面工作人員對(duì)傷情進(jìn)行分析、診斷。

3.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)由飛行動(dòng)作控制模塊、飛行數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)接收模塊、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)組成。飛行動(dòng)作控制模塊采用2.4 GHz頻率多通道比例遙控器,用于控制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)及探測(cè)設(shè)備云臺(tái)姿態(tài)。飛行數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)接收模塊用于接收飛行信息。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)包含可臨時(shí)架設(shè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)基站和無(wú)人機(jī)機(jī)載移動(dòng)站。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)基站用于采集精準(zhǔn)的全球定位系統(tǒng)差分?jǐn)?shù)據(jù),同時(shí)將差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送至機(jī)載移動(dòng)站。機(jī)載移動(dòng)站再將差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可供飛行控制系統(tǒng)使用的位置信息,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)定位。

檢測(cè)時(shí),需根據(jù)飛機(jī)蒙皮的相對(duì)位置和蒙皮外形,由地面控制系統(tǒng)的軟件生成立體掃描航線,上傳至無(wú)人機(jī)。掃描航線上傳完成后,無(wú)人機(jī)起飛,按設(shè)定航線環(huán)繞被檢測(cè)的飛機(jī)蒙皮飛行。在飛行過(guò)程中,為保證有效探測(cè)距離,使用機(jī)載激光雷達(dá)控制與蒙皮表面的距離。機(jī)械臂根據(jù)無(wú)人機(jī)自身相對(duì)于垂尾的位置,始終將探頭對(duì)準(zhǔn)待檢測(cè)蒙皮表面。超聲探測(cè)儀的圖像數(shù)據(jù)、待檢測(cè)面的高清照片均以圖片形式通過(guò)飛行數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)發(fā)回地面端,由地面人員根據(jù)發(fā)回的信息進(jìn)行傷情綜合診斷。

4 無(wú)人機(jī)強(qiáng)度校核

當(dāng)螺旋槳在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生向上的拉力,該拉力要能克服無(wú)人機(jī)的載重,并且對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)架產(chǎn)生彎、扭作用。無(wú)人機(jī)力學(xué)作用如圖2所示。其中,G為無(wú)人機(jī)自身重力及其它設(shè)備載重,F為每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力。應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行載重分析,對(duì)機(jī)架進(jìn)行彎矩、扭矩強(qiáng)度分析。

▲圖2 無(wú)人機(jī)力學(xué)作用

4.1 載重分析

理論上,當(dāng)無(wú)人機(jī)的總升力等于最大起飛載重時(shí),無(wú)人機(jī)恰好可以懸停。當(dāng)然,螺旋槳產(chǎn)生的升力還要提供一部分動(dòng)力進(jìn)行偏航等姿態(tài)的控制[6]。

根據(jù)選用的電機(jī)、螺旋槳參數(shù),計(jì)算出一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力約為13.2 N[7],該無(wú)人機(jī)的整體升力約為52.8 N,整個(gè)四旋翼無(wú)人機(jī)的質(zhì)量加上其它載質(zhì)量,約為3 kg,無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的總升力大于所有載重,滿足要求。計(jì)算中涉及的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)參數(shù)

4.2 機(jī)架彎矩分析

無(wú)人機(jī)的四個(gè)機(jī)架與無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)通過(guò)螺栓固定連接,為了分析方便,可以將四個(gè)機(jī)架看作四個(gè)懸臂梁,每個(gè)懸臂梁所受彎矩如圖3所示。

▲圖3 懸臂梁彎矩作用

對(duì)懸臂梁進(jìn)行受力分析和力矩計(jì)算[8-10],得出懸臂梁根部的彎矩最大,即機(jī)架與無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)連接處的彎矩最大,值Mz為2.72 N·m。

機(jī)架有一對(duì)互相垂直的對(duì)稱(chēng)軸,因?yàn)闄C(jī)架所受載荷沿Y軸方向,所以中心軸Z軸通過(guò)機(jī)架截面形心,并與Y軸垂直。

根據(jù)中心軸位置、機(jī)架與無(wú)人機(jī)中央平臺(tái)連接處截面最大彎矩的實(shí)際方向,可以確定機(jī)架中心軸以上部分承受壓應(yīng)力,中心軸以下部分承受拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力作用點(diǎn)和最大拉應(yīng)力作用點(diǎn)分別為至中心軸最遠(yuǎn)的上邊緣點(diǎn)及至中心軸最遠(yuǎn)的下邊緣點(diǎn),這兩點(diǎn)至中心軸的距離ymax為18 mm。

對(duì)于外徑為D、內(nèi)徑為d的機(jī)架圓環(huán)截面,對(duì)中心軸的極慣性矩Iz為:

Iz=πD3(D-d)/64

(1)

彎曲截面因子Wz及截面所受應(yīng)力最大值σmax分別為:

Wz=Iz/ymax

(2)

σmax=Mz/Wz

(3)

計(jì)算得到σmax為12.65 MPa,小于碳纖維機(jī)架的許用正應(yīng)力(488 MPa),因此機(jī)架的抗彎強(qiáng)度滿足要求。

4.3 機(jī)架扭矩分析

螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)架還將承受扭矩作用,如圖4所示。圖中,T為每個(gè)機(jī)架受到的外力扭矩。

▲圖4 機(jī)架扭矩作用

最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τmax為:

τmax=T/WP

(4)

式中:WP為抗扭截面因子。

扭矩T為:

T=9 549P/n

(5)

式中:P為電機(jī)功率;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

抗扭截面因子WP為:

Wp=Ip/ρmax

(6)

式中:Ip為機(jī)架圓截面對(duì)其中心的極慣性矩;ρmax為橫截面上的點(diǎn)至懸臂梁中心軸的距離最大值。

Ip=π(D4-d4)/32

(7)

對(duì)于機(jī)架而言,最大切應(yīng)力發(fā)生在機(jī)架任意垂直于中心軸的橫截面邊緣處,因此有:

ρmax=D/2

(8)

可得:

(9)

通過(guò)計(jì)算得到τmax為0.397 MPa,小于碳纖維機(jī)架的許用切應(yīng)力(112 MPa),因此機(jī)架的抗扭強(qiáng)度也滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的飛機(jī)蒙皮裂紋探傷設(shè)備可以大大節(jié)省檢測(cè)時(shí)間,降低運(yùn)營(yíng)商成本,具備三方面特征與優(yōu)點(diǎn)。

(1) 操作方便。設(shè)備操作方便,能夠操控航拍無(wú)人機(jī)的機(jī)務(wù)人員都可以熟練掌握使用方法。

(2) 自動(dòng)化程度高。無(wú)人機(jī)對(duì)飛機(jī)蒙皮裂紋的探傷過(guò)程是在規(guī)劃好的蒙皮表面路徑下自主進(jìn)行的,高度和距離蒙皮表面的距離可控,不需要人為干預(yù)。

(3) 低成本,易維護(hù)。設(shè)備自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造、培訓(xùn)使用、維護(hù)方便,能節(jié)省大量的人力成本和時(shí)間成本,經(jīng)濟(jì)性佳。