大型民用飞机后缘襟翼运动设计研究

魏伟　张元卿　何瑞　崔卫军

【摘 要】本文通过对大型民用飞机后缘襟翼的剖面参数、后缘襟翼机构运动设计要求及方法、后缘襟翼的运动原理设计、后缘襟翼机构参数计算流程以及后缘襟翼的变形运动控制等方面介绍，为大型民用飞机后缘襟翼运动设计提供了思路和方法。

【关键词】后缘襟翼；运动机构；变形控制

中图分类号： V226 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.061

0 引言

民用飞机后缘襟翼常用的形式有开裂式襟翼、简单襟翼、单缝襟翼、双缝襟翼、三缝襟翼、富勒式襟翼和吹气襟翼等[1]。不同形式的襟翼有各自不同的优缺点，但主流大型客机均采用了富勒襟翼，只是在具体富勒运动实现中形成了不同风格的机构。因此本文着重对富勒襟翼的运动进行分析研究，介绍了后缘襟翼的剖面参数、后缘襟翼机构运动设计要求及方法、后缘襟翼的运动原理设计、后缘襟翼机构参数计算流程以及后缘襟翼的变形运动控制。

1 后缘襟翼的剖面参数

富勒襟翼可以看作开缝襟翼的变形，将襟翼厚度变薄，变薄的长度是机翼后缘向后延伸的长度。这种襟翼向后滑动较大距离并向下偏转，所以不仅增大了机翼的弯度，而且增大了作为机翼性能要素的面积，从而可以得到更大的升力。

襟翼在运动过程中有三个关键的工作位置，起飞、巡航及着陆，襟翼的位置是由缝隙宽度、重叠量和偏角决定。襟翼偏角δ、富勒运动量F、重叠量O、缝隙G，这几个参数即可定义襟翼的位置[2]，如图1所示。

2 后缘襟翼机构运动设计要求及方法

后缘襟翼机构设计方面的设计目标与要求如下：

（1）襟翼运动机构、主翼、子翼及机体之间的间隙应满足完成各种功能的要求，不能因结构变形而卡滞或降低功能；

（2）襟翼运动机构所选用的运动形式应满足强度、刚度、气动外形要求，重量的分布要有利于防止颤振；

（3）襟翼运动机构应利于装拆，维修简单，尽量减少特殊的专用工具；

（4）襟翼运动机构应具有防磨损措施；

（5）襟翼运动机构应满足适航标准及相关咨询通报。

为满足以上设计要求，后缘襟翼运动设计过程可分解为以下几个步骤：

（1）根据襟翼状态要求及缝道要求等选择运动机构的形式、运动形式及运动参数，选定后即确定了襟翼各特征点的运动曲线。

（2）襟翼运动机构平面运动设计。首先要在平面内协调各运动构件的运动关系，分析其运动机理、是否有运动死点及干涉情况；然后进行计算机的二维运动仿真及干涉检查，对运动机构进行不断的完善修改。

（3）襟翼运动机构的空间运动分析。待平面运动完善后，根据各运动构件及舵面的运动要求，每块襟翼各条滑轨（或支点）的相对位置也就确定了各特征点的空间运动轴线方向，故就可以进行空间运动的分析，进行計算机的三维运动仿真设计，检查干涉及运动间隙；根据三维运动设计各滑轨的曲面，确定滑轮架的型式及各构件的连接；

（4）完成襟翼运动机构各构件的设计。操纵力尽可能在支点附近，并且操纵点的确定应尽量使左右两部分的扭矩积累值大致均匀，操纵摇臂尽可能的凸出翼型少一点，操纵力沿展向的分力尽可能不传到后缘襟翼上。

（5）设计并制造运动机构的运动功能模型，开展机构运动功能原理验证试验。

3 后缘襟翼运动原理设计及参数计算

实际中后缘襟翼的运动是一种复杂三维空间运动，但由于后缘襟翼要求为顺气流运动[3]，则可以简化为顺气流平面内的平面曲柄滑块机构。襟翼运动主要控制襟翼运动过程的三个位置状态，即收起、起飞及着陆状态。襟翼在这三个位置的所有参数已知，而在三个位置之间的其它中间位置由机构运动规律决定。可以采用刚体位移矩阵法对该类问题进行求解。位移矩阵法是以各运动副位置坐标为参数，以杆长不变或移动方位角不变为约束条件来建立方程，对机构尺寸进行综合设计的一种方法[4]。

根据曲柄转动点坐标、襟翼上某点在巡航、起飞、着陆状态的坐标、滑块与襟翼连接点3个状态下的坐标及襟翼巡航、起飞、着陆状态之间的夹角，辅以驱动连杆定长约束条件、驱动连杆定轴转动约束条件以及转动轴单位向量约束条件即可计算确定出襟翼机构各构件及运动副的参数，计算流程如图2所示。

4 后缘襟翼变形运动控制

后缘襟翼翼面通过多点支撑与主翼盒相连，各飞行工况下，由于襟翼与主翼盒的刚度差异较大[5]，变形协调不一致，会使两者产生较大的相对变形，如图3和图4所示。根据后缘襟翼运动设计要求，襟翼运动不能因结构变形而卡住或降低功能，可在襟翼翼面及端面设置限位滚轮以协同襟翼与翼盒的变形，如图5所示。襟翼与主翼盒之间的合理限位设计，带来以下设计受益：

（1）解决襟翼与主翼盒间的刚度匹配问题；

（2）襟翼与主翼盒间由于变形不一致产生的附加载荷得到控制；

（3）避免结构由于变形干涉导致的结构破坏；

（4）改善机翼后缘变形不协调区域的设计环境；

（5）降低飞机巡航构型状态下襟缝翼和主机翼间的变形阶差，保证机翼外形的符合性；

（6）光顺外形，减少气动阻力和燃油消耗。

根据襟翼和机翼主翼盒结构变形及受载情况，应对内外端头限位件轮廓进行联动设计，合理设计轮廓以满足主翼盒和襟翼变形后的运动控制要求，限位轮廓要保证襟翼限位滚轮能进入到设定的运动轨迹上，确保襟翼正常收放，如图6所示。轮廓导入点的设计需要充分考虑襟翼和主翼盒间的相对变形、襟翼滑轨站位的影响以及襟翼作动器载荷的变化影响。

5 结语

后缘襟翼的运动是一种复杂三维空间运动，在设计过程中面临着载荷复杂、运行环境严酷等设计特点，且在各种飞行工况下，还需要考虑与主翼盒的变形协同问题。本文通过多方面介绍和研究，为大型民用飞机后缘襟翼运动设计提供了思路和方法。

【参考文献】

[1]《飞机设计手册》总编委会. 飞机设计手册第10册结构设计[M]. 航空工业出版社，2001.

[2]仪志胜，何景武. 民用飞机后缘襟翼机构设计仿真计算研究[J]. 飞机设计，2010，30（1）：43-46.

[3]严少波， 黄建国. 飞机后缘襟翼运动同步性设计和计算[J]. 民用飞机设计与研究，2011，（1）：20-32.

[4]郭仕贤. 后缘襟翼运动机构设计与数学分析[J]. 科技创新导报，2012，（29）：185-187.

[5]王一飞，李庆飞，陈建华，等. 大型客机复合材料襟翼刚度设计技术[J]，2016，（19）：88-92.