舱门载荷的飞行实测

2016-07-31刘敬礼张

中国科技信息 2016年14期

关键词：滑环舱门电桥

刘敬礼张丽

1.中国飞行试验研究院飞机所；2.中航工业一飞院适航技术所

舱门载荷的飞行实测

刘敬礼1张丽2

1.中国飞行试验研究院飞机所；2.中航工业一飞院适航技术所

某飞机舱门是由电液伺服装置驱动的，舱门载荷飞行实测是验证和优化舱门设计载荷的重要依据，考虑舱门具体结构，将舱门开启后的飞行载荷测量转变成舱门驱动装置输出轴的载荷测量。本文主要采用常规应变电测法结合导电滑环的方法进行测量，并介绍舱门驱动装置输出轴的载荷标定试验方法、试验结果以及飞行实测结果情况。

为验证某型机舱门部件在开启和关闭过程中舱门飞行载荷的风洞试验结果，采用应变电测法，在舱门驱动装置输出轴上改装应变计电桥，将舱门飞行载荷转换成舱门驱动装置输出轴扭矩载荷，通过载荷地面标定试验和飞行试验来测量输出轴上的扭矩载荷。本文主要介绍输出轴的扭矩载荷飞行测量方法、地面载荷标定试验以及飞行试验的实测结果。

舱门载荷标定试验

舱门结构

本次试验的原型为多旋臂支撑舱门，如图1所示，通过驱动装置来实现舱门的开闭，驱动装置位于第二、三旋臂之间，旋转作动器连接传动轴（或驱动轴）和旋臂。在舱门开闭过程中，舱门承受的气动载荷始终与驱动装置的输出扭矩平衡。

测量原理

旋转部件的飞行载荷测量，与固定部件的载荷测量使用的基本原理一致，最简单可靠的就是传统的应变电测法。在驱动装置输出轴上粘贴应变计，感受输出轴传递给舱门的扭矩载荷。根据机上真实状态将旋臂、旋转作动器、传动轴、输出轴安装于系统试验台上，如图2所示。考虑舱门的结构特点，在载荷标定试验时将其简化为不带舱门的四个旋臂。通过作动筒对四个旋臂的末端进行加卸载，以模拟舱门气动载荷的作用。

测量的难点在于如何安全可靠的把旋转件上的测量信号传递出来。目前常用的有两种方法：1）无线信号发射接收装置。需在旋转部件上安装无线发射装置（无线电或红外通信），对安装空间有特殊需求，并且可能受载机上其它信号的干扰，发射装置在跟随旋转轴转动时，会造成接收装置收到的信号强度发生变化，有时甚至会失去信号；2）导电滑环。类似定子和转子的关系，转子随轴转动，通过刷丝或刷片将信号传递给定子，如图3所示。因滑环的接触部分不断摩擦，导致其接触电阻的变化和使用寿命的降低，影响信号传递的精度等。通过适当减小接触电阻并保持稳定，可以显著提高滑环信号的传输精度。

图1 舱门结构

本文将导电滑环和应变电测相结合来测量旋转轴的载荷，如图4所示。在驱动装置输出轴的适当部位粘贴四片应变计，按惠斯登电桥的全桥方式连接。该种应变计电桥的优点是：1）具有良好的温度补偿功能；2）能够消除弯曲应力、轴向应力的影响。

图2 试验加载设备

图3 导电滑环的结构

图4 导电滑环的应变电测法

试验设备和方法

试验设备为舱门驱动装置生产厂家的系统试验台，在作动筒末端安装载荷传感器，可以得知施加的标定载荷。本次除了进行舱门的静态标定，还尝试进行了舱门开关过程中的动态标定。载荷标定试验时考虑舱门的结构特点将其简化为不带舱门的四个旋臂。通过作动筒对四个旋臂的末端进行加卸载。

图5 载荷－应变响应曲线

图6 载荷－应变时间曲线

图7 100%动态加载过程的载荷应变曲线

1）静态标定：模拟飞行中舱门最大开度时承受的气动载荷。将输出轴安装到系统试验台上，将舱门开度保持在最大，在不旋转的状态下，进行静态载荷的开、关门方向的分级加卸载的标定试验（关门方向加载为负，开门方向加载为正）；

2）动态标定：模拟飞行中舱门的开、关全过程。将输出轴安装到系统试验台上，在旋转状态下，进行静态载荷的开、关门方向的加卸载。具体方法：先施加某量级的载荷，且保持载荷不变的前提下将旋臂旋转，记录此过程的应变、载荷数据。加载顺序为：先施加开门方向某台阶载荷并保持，然后关、开门方向各旋转两次，再进行下一台阶载荷的加载，依次进行开门方向和关门方向的加卸载。

图8 Hp=11km，平飞Ma=1.46，开舱门

标定试验数据分析

静态试验数据

由载荷－应变电桥的响应曲线可以看出，如图5所示，舱门最大开度时，在使舱门打开方向加、卸载过程中，载荷－应变曲线存在滞回环，但整体还是呈线性变化；然而在使舱门关闭方向加载的中间段和卸载的初始段均出现较明显的变化，使得载荷应变曲线的滞回环更大。推测可能的原因是：旋臂与作动器的间隙、各旋臂间转动角度差异及卸载过程中加载装置卡滞引起的。

在图6中给出了舱门静态载荷标定时应变计电桥和标定载荷的时间历程曲线。由该图可知，开、关门方向的加载载荷曲线与应变计电桥响应呈对应的台阶变化，但在开始卸载时，可能由于旋臂的间隙、卡滞或各旋臂转动角度的微小差异，造成应变响应延迟，导致同一量级载荷在加、卸载时对应的应变值反而不同。最终得到的校准误差为5%。

动态数据

在图7中给出了动态加载的载荷－应变曲线，在动态标定试验开、关舱门过程中，载荷和应变的尖峰仅出现在开、关舱门的瞬间，且关门瞬间的载荷尖峰变化较大。在开、关舱门到位后也出现了相同校准载荷下对应不同应变值的现象，可能是开、关舱门时不同的旋转速度、不同的扭矩传递效率以及关门到位后部分载荷被舱门支持结构承担引起的。

飞行试验结果

就某次飞行中的两次开舱数据进行分析。飞机起飞前，应变计电桥响应初值为109με。在图8中示出了在平飞机动过程中开关舱门的应变计电桥响应时间历程曲线。在开舱门前，应变计电桥响应的均值为162με；在舱门开到位后，应变计电桥响应的变化区间为113με～206με；在舱门打开过程中应变计电桥响应变化较大，尤其在即将开到位前，应变计电桥响应变化相当剧烈，舱门驱动装置输出轴的扭矩载荷最大为－407Nm和709Nm。

图9 Hp=5km，盘旋机动，Nz=5.5时开舱门，Nz=3.28时关舱门

在图9中示出了在盘旋机动过程中开关舱门的应变计电桥响应时间历程曲线。在舱门开启前，法向过载不断增大，应变计电桥响应值变化不大，均值大约91με，说明在舱门关闭状态下舱门驱动装置输出轴的扭矩载荷随法向过载的变化很小；在舱门打开过程中，应变计电桥响应变化较大，尤其在即将开到位前，应变计电桥响应变化很剧烈，应变计电桥的响应达到了正的极值，舱门驱动装置输出轴的扭矩载荷最大为－1095Nm，在打开舱门前的某瞬间，输出轴的扭矩载荷最大为629Nm；在舱门开到位后，应变计电桥响应值变化趋势与法向过载变化趋势相一致；在舱门关闭过程中，应变计电桥响应随法向过载的变化也不大。