民用飛機表面波紋度測量方法研究

金鼎

【摘 要】為減小飛機表面波紋現象對飛機性能的影響，需要對飛機表面的波紋度進行測量，以便采取控制及改進措施。本文對民用飛機表面波紋度測量的特點進行了分析，對國內外現有方法進行分類介紹及分析研究，為今后國產民用飛機波紋度測量方法的改進及發展提供了參考。

【關鍵詞】民用飛機；波紋度；測量方法

0 引言

在飛機機體外形沒有較大整體偏離和較大階差的情況下，機體表面的制造偏差一般表現為在理論外形附近的非預期起伏，即機體表面的波紋現象，對該波紋現象的度量概念稱為波紋度。波紋度由最大波幅與波長之比值決定（即b/L），見圖1[1]。

測量飛機表面波紋度的傳統方法一般使用實物樣條。對于平直外形，直接用直尺檢查；對于曲面外形，則用實物樣條按照自然彎曲的方法檢查表面波紋度。檢查時，用塞尺量取波幅大小，用卷尺量取兩個波峰間的波長。實物樣條檢查波紋度存在誤差大的缺點，一方面是因為樣條的柔韌性使得塞尺沒法很好地把握塞進間隙的尺度，另一方面是使用不同彈性的樣條對測量結果也有影響。

隨著民用飛機外形檢測方法的飛速發展，波紋度測量方法也隨之有了質的飛躍。下文將對民用飛機表面波紋度測量的特點進行分析，并對國內外現有方法進行分類介紹及分析研究。

1 波紋度測量特點

相對于其他產品的表面波紋度測量，民用飛機表面波紋度測量有其特殊之處，即：大尺度、高精度、快速便捷、兼顧成本。

1.1 大尺度

對于一般機械零件，其表面波紋的波長一般在10mm量級，波紋度評定長度最大在80mm[2]。而對于目前在役的民用飛機，最大翼展和機身長度均達到60m以上，表面波紋波長最大可達600mm以上，因此民用飛機波紋度測量的尺度一般要求在0.5m-2.0m范圍。

1.2 高精度

民用飛機表面波紋波幅的一般要求為1mm-3mm，波幅的測量精度要求為0.1mm。而對于按RVSM（縮小最小垂直間隔標準）運營的民用飛機，其大氣數據傳感器附近的表面波紋波幅要求則更高，波幅的測量精度要求達到0.01mm。

1.3 快速便捷

對于生產線上的飛機，波紋度測量作為飛機各部件、部位的常規測量項，測量的工作量是巨大的，因此波紋度的測量要求快速便捷。

同樣，在役的民用飛機要達到盈利的最大化，每架飛機每天需要運營10個小時以上，其間的維護、維修時間是短暫而又寶貴的，加上機務人員并非專職于波紋度測量，因此在役飛機的波紋度測量也要做到盡量快速便捷。

1.4 兼顧成本

波紋度測量還要兼顧成本，對于飛機維修公司，波紋度測量的頻次并不高，因此測量方法要在滿足測量精度的前提下考慮盡量降低成本；對于飛機制造商，波紋度作為常規測量項，需要大量而頻繁地測量，因此在測量方法選擇上更注重快速高效，可適當放松低成本要求。

2 波紋度測量方法

2.1 卡板塞尺法

卡板塞尺法的原理與傳統的樣條塞尺測量方法類似，不同之處是用與待測表面形狀一致的剛性卡板作為基準，以此來提高測量精度，測量精度一般可以達到0.1mm。

卡板塞尺法成本較低，但由于曲面形狀各不相同，一塊卡板只能用于某一特定區域的測量，因而不同曲面或者同一曲面的不同位置的測量都需要制作不同的卡板。對于飛機表面曲率變化大或者測量尺度較大的情況，此方法在便捷性和精確性方面不具備優勢。

2.2 探針測距法

探針測距法是目前飛機制造商和飛機維修公司測量飛機表面波紋度采用的比較成熟的方法，其測量精度可以達到0.01mm，該方法同樣不適合于測量飛機表面曲率變化大的區域。探針測距法又可分為一維測量法和二維測量法。

圖2是一種典型的波紋度一維測量法：將帶刻度的標度尺放置于飛機表面，標度尺上的支腳緊貼飛機表面，標度尺的滑軌上固定數字式卡尺；測量時，通過卡尺的探針接觸飛機表面來測量標度尺相對于飛機表面的距離，測量數值可通過數據線實時記錄至計算機中；沿滑軌移動卡尺至標度尺上不同刻度位置，即可測量標度尺相對于蒙皮表面的距離變化情況。由該方法得到一系列距離數值的波動情況間接地反映了蒙皮波紋度情況，后續經過數據處理即可得到被測飛機表面的波紋度。

圖2中的方法一次只能測量飛機表面一條線上的波紋度情況，故稱之為一維測量。要獲得某一區域的波紋度，則需要移動標度尺至不同位置反復實施測量，且標度尺一般需由人工托舉來保持其位置，因此該方法費時費力，但其優點是成本低廉，適合于波紋度的少量測量。

圖3是另一種波紋度測量方法，該方法是將支架通過支腳支撐在飛機表面，中間的橫梁可以沿滑軌滑動，橫梁上設置一定數量的測距探針，測距探針可測量橫梁至蒙皮表面的距離，距離數值可通過數據線傳輸至計算機中，滑動橫梁即可測量支架支撐范圍內橫梁至蒙皮的距離變化情況，從而間接反映該區域的波紋度情況，其測距取樣密度取決于測距探針在橫梁上的布置密度。

上述方法一次可測量一塊區域的蒙皮波紋度，故稱之為二維測量法。該方法相對于一維測量法更便捷，但整套測量設備較笨重，需要使用吸盤或螺栓將其臨時固定在飛機待測區域表面。另外，其成本相對一維測量也稍高，適合于飛機制造商針對某一特定區域的批量測量。

2.3 激光掃描法

激光掃描法是目前工程領域較為常用的非接觸式三維測量方法，根據其測量原理大致可分為脈沖法、相位法和三角法。其中，三角法測量精度最高，適合小范圍近距離測量，因此激光掃描法測量波紋度的原理大多基于三角法。

激光掃描法常用的儀器設備有：O2DS、T-SCAN等，其中O2DS屬于二維線掃描設備，T-SCAN屬于三維面掃描設備，這些設備的測量精度均可達到0.03mm，如圖4所示。

使用上述這些設備掃描飛機待測區域表面，即可得到該區域二維或三維測量數據，在計算機上對測量數據進行處理分析即可得到該區域蒙皮表面的波紋度。

一般情況下，三維面掃描設備獲取飛機表面信息效率更高，而二維線掃描設備的價格相對更便宜。相對于探針測距法，激光掃描法的測量成本較高，不太適合飛機維修公司的少量測量。

2.4 三維攝影測量法

三維攝影測量法是利用光學攝影機獲取被測物圖像，經過圖像處理以獲取被測物形狀、尺寸等信息的一種測量方法。

目前，常用的三維攝影測量設備有V-Stars、MPS/M等測量系統，這些測量系統一般均包含工業相機、目標點或投點器、配套軟件等。

測量飛機表面波紋度時，需要用投點器在待測區域表面投射目標點，通過工業相機拍攝大量待測區域表面照片，每幅照片中包含多個被測點，通過系統內部算法，最終得到被測點的坐標，繼而分析計算飛機表面的波紋度。

使用三維攝影測量系統測量飛機表面波紋度極其快速、便捷，測量精度也均能做到優于0.01mm，考慮其設備成本偏高，因此三維攝影測量方法比較適用于飛機制造商的批量測量。

2.5 激光跟蹤儀法

激光跟蹤儀法是利用激光跟蹤儀在待測區域表面沿某一方向采集離散有序的或是連續的點的坐標，并在計算機上對數據點進行處理分析，可得到該區域蒙皮表面的波紋度，其測量精度優于0.01mm。

激光跟蹤儀法使用成本較高，操作也相對繁瑣，因此僅適合于飛機制造商在飛機研發階段的少量測量使用。

3 結論

本文對現有民用飛機表面波紋度測量的特點進行了分析，對國內外現有測量方法進行分類介紹及分析研究，經分析得出以下幾點結論：

1）波紋度測量具有大尺度、高精度的特點，同時還要兼顧快速便捷和低成本；

2）不同測量方法的適用范圍、測量精度及便捷性與其使用成本是相互矛盾的，需要根據不同的場合和需求選取合適的測量方法。

【參考文獻】

[1]HB7086-94 民用飛機氣動外緣公差[S].中國航空工業總公司，1994-01-01.

[2]胡鳳英.波紋度參數的研究及檢測[J].內燃機配件，2006，2.

[責任編輯：田吉捷]