某型機(jī)儀表板振動(dòng)過(guò)大的分析及驗(yàn)證

蘇 越

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院飛機(jī)所,陜西 西安 710089

1 概述

某型機(jī)在某架次顫振試飛應(yīng)用顫振激勵(lì)系統(tǒng)（FES）對(duì)副翼進(jìn)行激勵(lì)過(guò)程中，試飛員發(fā)現(xiàn)儀表板振動(dòng)過(guò)大，嚴(yán)重影響判讀，因此將激勵(lì)切斷后返航。在儀表板處裝有一法向振動(dòng)加速度傳感器，其振動(dòng)信號(hào)成為排故的主要依據(jù)。由于在所關(guān)注時(shí)間段采用FES進(jìn)行掃頻激勵(lì)，振動(dòng)加速度信號(hào)的主要頻率也隨之變化，因而是非平穩(wěn)的。傳統(tǒng)的頻譜分析無(wú)法給出信號(hào)的頻譜隨時(shí)間變化的規(guī)律[1]，此時(shí)需進(jìn)行時(shí)頻分析。故本文運(yùn)用時(shí)頻分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為振動(dòng)排故提供幫助。

此外，為摸清儀表板的固有頻率特性，進(jìn)行了一項(xiàng)地面試驗(yàn)，結(jié)合飛行數(shù)據(jù)分析了儀表板振動(dòng)過(guò)大的原因。之后采取了一些措施并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，使得后續(xù)試飛能夠安全、順利進(jìn)行。

2 飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試飛任務(wù)單，該架次計(jì)劃在高度Hp=6km,馬赫數(shù)M=0.6用FES對(duì)副翼進(jìn)行激勵(lì)（1～25Hz掃頻，幅值為0.6°）。在執(zhí)行該動(dòng)作過(guò)程中，由于儀表板振動(dòng)過(guò)大，掃到21Hz時(shí)，試飛員切斷激勵(lì)。圖1即為該過(guò)程中FES信號(hào)的時(shí)頻分析及時(shí)間歷程。圖中的橫軸均為時(shí)間軸，時(shí)頻分析縱軸為頻率，時(shí)間歷程縱軸為FES信號(hào)的幅值。可以看出，在人工切斷之前，施加的FES激勵(lì)是正常的。

圖1 FES信號(hào)時(shí)頻分析及時(shí)間歷程

圖2 儀表板法向振動(dòng)時(shí)頻分析及時(shí)間歷程

圖4 儀表板法向振動(dòng)時(shí)間歷程及頻譜分析

對(duì)儀表板法向振動(dòng)加速度分別進(jìn)行時(shí)頻分析和頻譜分析，如圖2和圖3所示。

圖2的時(shí)頻分析圖展示了此過(guò)程中振動(dòng)頻譜及振動(dòng)水平的變化情況，圖中的橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率，圖中用冷色到暖色的變化反映振動(dòng)水平的增大。激勵(lì)頻率掃到17.5Hz后，儀表板法向振動(dòng)開(kāi)始明顯增大，振動(dòng)水平最大時(shí)對(duì)應(yīng)的激勵(lì)頻率為19Hz，之后時(shí)頻圖中的振動(dòng)水平和時(shí)間歷程圖中的幅值都逐漸減小，人工切斷后，振動(dòng)恢復(fù)正常。如圖3所示，最大振動(dòng)水平在頻率19Hz處，幅值為0.18g。

3 儀表板固有頻率特性地面試驗(yàn)

為摸清儀表板固有頻率特性，進(jìn)行了一次地面試驗(yàn)。分別對(duì)儀表板不同方向進(jìn)行多次激振。將振動(dòng)信號(hào)記錄、分析后，得到了儀表板的不同方向的固有頻率，如圖4和圖5所示。得到的儀表板法向固有頻率為20.5Hz，儀表板垂向固有頻率為18Hz。

4 綜合分析和采取措施

圖3 儀表板法向振動(dòng)時(shí)間歷程及頻譜分析（振動(dòng)過(guò)大段）

圖5 儀表板垂向振動(dòng)時(shí)間歷程及頻譜分析

綜合對(duì)飛行試驗(yàn)和儀表板固有頻率特性地面試驗(yàn)進(jìn)行分析，認(rèn)為儀表板振動(dòng)過(guò)大是由于在FES掃頻過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了儀表板固有頻率所在的頻段引起了儀表板的共振。而實(shí)際上在此架次之前，曾在飛行試驗(yàn)中應(yīng)用FES系統(tǒng)對(duì)副翼進(jìn)行過(guò)10Hz～20Hz的掃頻，幅值也僅為0.4°，在此情況下飛行員并未反映有振動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象。因而需考慮本架次掃頻范圍的擴(kuò)大和激勵(lì)幅值增大兩方面都可能引起此振動(dòng)過(guò)大。在后續(xù)試飛中采取了以下措施：

(1) 機(jī)務(wù)人員認(rèn)真檢查了儀表板的安裝狀況，發(fā)現(xiàn)總體安裝緊固良好，只是個(gè)別墊片有破損，故進(jìn)行了更換。

(2) 針對(duì)儀表板僅存在法向振動(dòng)傳感器的情況，在其它兩個(gè)方向也加裝振動(dòng)傳感器，并在試飛中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3) 由于減小掃頻范圍將難以滿(mǎn)足顫振試飛的需求，故在驗(yàn)證試飛中，只降低FES的激勵(lì)幅值。一方面在飛行中觀察是否還存在振動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象，另一方面在飛行后通過(guò)數(shù)據(jù)處理看是否滿(mǎn)足顫振試飛的要求。

圖6 儀表板法向振動(dòng)時(shí)頻分析及時(shí)間歷程

圖7 儀表板側(cè)向振動(dòng)時(shí)頻分析及時(shí)間歷程

圖8 儀表板垂向振動(dòng)時(shí)頻分析及時(shí)間歷程

5 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

采取了上述措施后，在驗(yàn)證試飛中，在高度Hp=6km,M=0.6用FES對(duì)副翼進(jìn)行激勵(lì)（1Hz～25Hz掃頻，幅值為0.5°和0.55°）。飛行后飛行員認(rèn)為振動(dòng)水平可接受，顫振課題對(duì)數(shù)據(jù)處理后認(rèn)為，降低FES系統(tǒng)激勵(lì)幅值后，亦可滿(mǎn)足試飛需求，后續(xù)試飛得以安全、順利進(jìn)行。

在該架次飛行中，儀表板三個(gè)方向都加裝的振動(dòng)加速度傳感器，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。FES激勵(lì)幅值0.5°和0.55°的情況類(lèi)似，只是振動(dòng)水平略小。以下以幅值0.55°的情況進(jìn)行說(shuō)明（圖6，圖7，圖8）。

圖6～8分別為儀表板法向、側(cè)向、垂向振動(dòng)的時(shí)頻分析圖。可以看到，隨著FES激勵(lì)頻率的增大，在19Hz儀表板法向最先達(dá)到最大振動(dòng)水平，然后迅速減小。而垂向和側(cè)向振動(dòng)繼續(xù)增大，直到20.5Hz達(dá)到最大后迅速減小。從時(shí)間歷程看，儀表板垂向振動(dòng)最大，其次為側(cè)向，而法向最小。

因此，在上一架次飛行試驗(yàn)中儀表板上先后有兩個(gè)波次的振動(dòng)：法向振動(dòng)和垂向振動(dòng)。飛行員所感受的“振動(dòng)過(guò)大”主要為掃頻到20.5Hz時(shí)儀表板垂向達(dá)到的最大振動(dòng)水平令飛行員不可接受，且此時(shí)側(cè)向振動(dòng)也很大，這兩個(gè)方向的振動(dòng)嚴(yán)重影響了飛行員的判讀。這正是直到掃頻到21Hz時(shí)（儀表板垂向振動(dòng)最大點(diǎn)附近）飛行員才將FES激勵(lì)切斷，而不是在19Hz時(shí)（儀表板法向振動(dòng)最大）的原因。

6 結(jié)束語(yǔ)

在飛行試驗(yàn)中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和人員處的振動(dòng)故障經(jīng)常出現(xiàn)。通過(guò)有效的數(shù)據(jù)分析方法和合適的地面試驗(yàn)，為振動(dòng)排故給出原理分析和改進(jìn)措施，對(duì)于型號(hào)試飛的順利開(kāi)展是極為重要的。本文應(yīng)用時(shí)頻分析的方法對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，展示出儀表板振動(dòng)過(guò)程中頻譜的演化情況。為摸清儀表板固有頻率特性，安排了一次地面試驗(yàn)。采取一系列改進(jìn)措施后進(jìn)行了驗(yàn)證試飛，最終得出了儀表板振動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象的原因。驗(yàn)證試飛通過(guò)降低FES激勵(lì)幅值，找到了兼顧飛行員的駕駛要求和課題試飛需求的更為合理的試飛方法，使得后續(xù)試飛得以安全順利的開(kāi)展。

[1] 丁玉美，闊永紅，高新波.數(shù)字信號(hào)處理——時(shí)域離散隨機(jī)信號(hào)處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2002