載荷校準試驗安全監控關鍵環節研究

賈天嬌，李志蕊

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

飛機飛行載荷實測是飛機設計載荷驗證的最真實、最直接的方法，對飛行包線擴展、載荷驗證、結構優化、載荷譜實測等有非常重要的意義，更是跨代飛機和民用飛機必須進行的試飛項目。目前，國內外飛行載荷實測普遍采用應變法[1～4]，而載荷校準試驗[5～10]又是應變法必不可少的關鍵試驗環節。載荷校準試驗作為一個大型復雜的地面試驗，其安全受到很多因素的影響，包括可預見和不可預見的因素，為避免飛機結構破壞、人員傷害及其造成的財產損失等后果，必須采取風險管理的方法，積極主動監控已知的安全風險并探測新出現的安全問題，將試驗的風險降至并保持在可接受的范圍之內，以保證試驗安全。

1 試驗安全監控系統原理

試驗監控技術貫穿于飛行載荷測量地面校準試驗的試驗準備、試驗實施、試驗終結在內的全過程，目前采用基于計算機技術、多媒體技術、數字壓縮技術，以及計算機網絡技術的試驗監控系統，其結構原理如圖1所示。通過攝像機采集現場影像，通過光端機將視頻數據傳送至試驗信號疊加器；同時，從加載控制計算機采集試驗數據，將采集的試驗數據疊加至原始視頻。然后，視頻分配器將疊加有試驗數據的視頻信號和載荷曲線計算機輸出的試驗載荷曲線信號分發到音視頻矩陣和存儲設備，最后在監視器顯示。

圖1 載荷校準試驗安全監控系統Fig.1 Security monitoring system of load calibration test

2 試驗安全監控關鍵環節

載荷校準試驗可以直接在試驗樣機上對測載部件進行加載校準試驗，也可以先從飛機上將試驗部件拆下來，再安裝固定在地面試驗平臺上進行加載校準試驗。試驗涉及機翼、平尾、垂尾、機身、起落架等測載部件，其主要環節包括試驗設備安裝、試驗調試、正式試驗、試驗設備換裝、試驗設備卸裝等。根據載荷校準試驗特點，對試驗過程中需要重點實時監控的環節進行分析。

2.1 加載監控

載荷校準試驗飛機為全狀態在飛飛機，對試驗安全有極高的要求，校準試驗中不允許有任何的載荷超限或意外損傷[11]。試驗采用液壓自動加載系統進行協調加載，對加載過程進行實時監控，主要包括加載跟隨性監控、應變數據監控、關鍵部位監控三種：

（1）加載跟隨性監控。對加載命令和反饋全程實時監控，并通過設置誤差值、最大保護極限值來保證主動加載通道的準確性，保證各載荷工況載荷施加的協調性，進而確保飛機載荷校準試驗的安全。試驗中最大誤差（error）通常取值在±5%范圍內，一旦超過error便立即觸發應急動作。

（2）應變數據監控。通過實時分析系統對試件的應變響應數據進行分析處理，保證試驗中應變最大值不超過限制值。

（3）關鍵部位監控。監控加載作動器的加載墊板與被試件的接觸點；監控鴨翼、T形尾翼布局飛機平尾等結構采用的加載卡板與被試件結構的接觸點；監控起落架緩沖器支柱壓縮行程的變化量。

2.2 約束監控

載荷校準試驗時，必須對飛機進行一定的約束，保持飛機平衡，使飛機在試驗時保持不動，以保證加載的精度[12]，同時確保人機安全。對約束進行實時監控，包括飛機姿態、配置、起落架約束、作動器約束以及約束載荷。

（1）飛機姿態監控。在飛機機頭（一般在飛機空速管位置）、機尾、左/右機翼翼尖等位置加裝吊錘或位移傳感器，通過位移變化判斷飛機在施加外載荷時的平衡狀態，一旦超出預定范圍，即表明飛機姿態已發生變化。

（2）配重監控。采用配重方式對飛機姿態進行調整，對機身上部配重區域進行局部重點監控，檢查配重框和配重物是否出現移動。

（3）起落架約束監控。監控前起落架和左、右主起落架的垂向、航向、側向支持以及約束裝置在加載過程中是否發生位移。起落架脫機校準試驗時，還應對機輪“假件”接頭與約束裝置的連接固定情況進行密切監控，若起落架固定約束不緊，可能會影響加載過程中試驗件安全。

（4）作動器約束監控。監控作動器、增高底座等加載裝置與地面的連接狀態。

（5）約束載荷監控。對于加載量級要求較大的復雜部件載荷校準試驗，飛機起落架約束部位的承載壓力必然也更大，其風險也較大，在實施過程中，對飛機起落架約束載荷也應進行實時監控[13]，并與計算結果進行對比分析，保證試驗中約束載荷不超過使用限制。

2.3 試驗場所監控

對試驗區域內飛機結構整體、設備運行狀態、人員活動等各類事件進行全方位的實時監控和記錄。在試驗設備安裝、換裝、卸裝的過程中，對吊具可能發生故障、綁扎松動、起吊件不平衡擺動、飛機失去平衡、物品墜落、工作人員受傷等情況進行監控。在試驗進行過程中，主要對液壓系統及設備的運行狀態監控，包括液壓泵站的油溫，系統緊急停止控制盒開關操作，輸油管路與保護模塊、分油器、作動器等連接處是否發生漏油，加載區域內的控制線纜是否與輸油管等設備發生干涉，試驗輔助設備如專用試驗臺架等工作情況。

2.4 試驗異常情況應急處置

常見危害試驗安全的異常情況及應對措施見表1。試驗應急處理方案主要有兩種：一是正常卸載，二是自動觸發應急停。正常卸載，即觸發非自鎖應急動作，如HOLD（試驗保持）、STOP（試驗停止），現場排故確認后可繼續試驗。自動觸發應急停，即觸發自鎖應急動作，待載荷反饋信號減少到零，作動器與加載點脫離后再進行排故，故障排除后需經過預加載檢驗才能重新執行自動加載程序。

表1 試驗異常情況應急處置Table 1 Emergency measures in test

3 應用

實例1：某型機機翼載荷校準試驗中，在后梁的加載點上實施加載時，通過加載跟隨性監測發現振動，如圖2所示。振動幅值迅速增大，振動持續2.5s，并有繼續擴大趨勢。與此同時，關鍵部位機翼后梁根部的應變計響應實時分析結果中并未發現振動，如圖3所示。此異常情況為作動器抖動。但由于觸發時間參數設置不合理，導致振動發生后，盡管反饋與命令的誤差已經遠遠超過設定值5%，卻仍無法自動觸發應急動作。以手動STOP方式正常卸載，立即停止試驗。

圖2 機翼校準試驗加載曲線Fig.2 Load curve in calibration test of airplane wing

圖3 機翼后梁應變分析Fig.3 Strain analysis of rear beam of the wing

實例2：某機起落架載荷校準試驗采用脫機校準試驗方法，即將試驗起落架從飛機上拆下，固定在專用試驗臺架上進行加載試驗，如圖4所示。起落架緩沖支柱行程50mm，進行起落架支柱垂向、側向兩向組合加載工況（見表2）時，通過加載跟隨性監測發現，垂向反饋曲線臺階拐角處出現“小尖刺”，如圖5所示。此類“小尖刺”主要由結構間隙引起，一般都在誤差允許范圍內，并不影響試驗進程。但應注意，當“小尖刺”超過試驗安全最大誤差5%時，自動觸發STOP正常卸載。

圖4 起落架載荷校準試驗Fig.4 Load calibration test of landing gears

表2 起落架校準試驗載荷工況Table 2 Load conditions in calibration test of landing gears

圖5 起落架校準試驗加載曲線Fig.5 Load curve in calibration test of landing gears

4 結論

本文重點研究了載荷校準試驗中安全監控實施過程的關鍵環節及應急處置措施，已成功應用到多種型號飛機載荷校準試驗中，有效保障了試驗安全。

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