某型公務(wù)機(jī)襟翼控制系統(tǒng)設(shè)計載荷分析

劉國慶

（廣東省珠海市中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海519040）

1 襟翼控制系統(tǒng)架構(gòu)

某型公務(wù)機(jī)在左、右機(jī)翼后緣各設(shè)置了一片襟翼來改善飛機(jī)的起降性能，增加飛機(jī)的升力與阻力[1]，其采用簡單定軸式襟翼，襟翼轉(zhuǎn)軸位于機(jī)翼下方。襟翼具有0 度(UP 位)、20 度（T/O位）、35 度（LAND 位）三種構(gòu)型，見圖1 所示。

圖1 襟翼構(gòu)型示意圖

襟翼控制系統(tǒng)的組成包括：

a.襟翼控制手柄：用于接收飛行員驅(qū)動襟翼的指令并將指令傳送至襟翼控制系統(tǒng)中。b.襟翼控制盒：用于接受襟翼控制手柄的指令，在經(jīng)過一系列的邏輯運算后對襟翼驅(qū)動裝置發(fā)出驅(qū)動指令，該控制盒綜合了襟翼控制系統(tǒng)的所有信息處理。c.中央驅(qū)動裝置（PDU）：將飛機(jī)的能源（電能或液壓）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動襟翼的偏轉(zhuǎn)。d.軟軸：將中央驅(qū)動裝置（PDU）的機(jī)械位移及力矩傳遞到襟翼作動器。e.襟翼作動器：與襟翼操縱搖臂相連，接受到軟軸傳過來的機(jī)械位移及力矩后，驅(qū)動襟翼的偏轉(zhuǎn)。襟翼控制盒（Electronic Control Unit）在接受到襟翼操縱手柄（Flap Knob）的動作指令后經(jīng)過邏輯運算，向中央驅(qū)動裝置（PDU）發(fā)送驅(qū)動指令信號，中央驅(qū)動裝置（PDU）動作并通過軟軸(Flexible Shaft)將位移及力矩傳遞至左右襟翼的四個作動器(Actuator)上,作動器上集成有力矩限制器（Torque Limiter）及位置測量裝置（Position sensor）；襟翼控制盒將襟翼的實時位置及狀態(tài)通過429 總線傳送至航空電子系統(tǒng)（Avionics），將襟翼手柄的位置及襟翼的位置實時傳輸至飛參記錄儀（FDR）。襟翼控制系統(tǒng)的架構(gòu)見圖2。

圖2 襟翼控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 襟翼控制系統(tǒng)載荷分析

在進(jìn)行襟翼的載荷計算時，需要用到的適航條款如下：第23.345 (d)[2]襟翼、其操縱機(jī)構(gòu)及其支撐結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成能承受本條(a)規(guī)定的情況。此外，在速度VF、襟翼完全伸展時，必須分別考慮下述情況：(1)速度為7.60 米/秒（25 英尺/秒）（EAS）的迎面突風(fēng)與75%的最大連續(xù)功率所對應(yīng)的螺旋槳滑流同時作用；(2)最大起飛功率所對應(yīng)的螺旋槳滑流影響。

2.1 襟翼作動器最大操作載荷。飛機(jī)氣動專業(yè)根據(jù)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，按照適航條款要求計算出襟翼的最大操作載荷并提交給強(qiáng)度專業(yè)，由強(qiáng)度專業(yè)通過有限元建模分析后將襟翼的最大操作載荷分配到襟翼內(nèi)、外作動器上，該載荷作為計算中央驅(qū)動裝置輸出功率的依據(jù)。設(shè)計流程見圖3。

2.2 力矩限制器載荷。通常中央驅(qū)動裝置所發(fā)出的最大載荷都會大于襟翼的正常偏轉(zhuǎn)的氣動載荷，在故障情況下，例如襟翼傳動線系一側(cè)卡阻，那么中央驅(qū)動裝置的所有載荷都會施加在卡阻一側(cè)襟翼的作動器上。因此需要在襟翼作動器上增加力矩限制器，防止過多的載荷被施加在襟翼及其支撐機(jī)構(gòu)上。作動器中力矩限制器的嚙合范圍的設(shè)計流程見圖4 所示，其中力矩限制器載荷上限取經(jīng)驗值15%的力矩限制器載荷下限，15%的經(jīng)驗系數(shù)需根據(jù)工業(yè)上碟簧的特性確定，供應(yīng)商希望該值越大越好，這樣更利于碟簧的選擇，但該數(shù)值越大，襟翼系統(tǒng)需承受的載荷也就越大，這對飛機(jī)的重量不利；若該值選得過小，那么力矩限制器選擇困難且受環(huán)境因素影響較大。

圖3 襟翼作動器最大操作載荷

圖4 力矩限制器載荷

2.3 襟翼作動器設(shè)計載荷。該載荷主要考慮在襟翼設(shè)計速度VF 作用下且飛機(jī)遭受迎面突風(fēng)，同時襟翼還受到發(fā)動機(jī)最大連續(xù)功率所產(chǎn)生的75%的滑流共同作用下襟翼作動器能承受的載荷，作動器設(shè)計載荷的設(shè)計流程見圖5 所示。

圖5 襟翼作動器設(shè)計載荷

2.4 故障狀態(tài)下作動器載荷。在計算故障狀態(tài)下襟翼作動器的載荷時，應(yīng)全面的窮舉襟翼控制系統(tǒng)以及襟翼結(jié)構(gòu)在預(yù)期的運行環(huán)境下可能出現(xiàn)的各種故障工況。以該公務(wù)機(jī)的左襟翼為例，計算故障狀態(tài)下的襟翼作動器載荷。襟翼懸掛及作動器布置見圖6，襟翼控制系統(tǒng)各種故障狀態(tài)下的載荷工況。

圖6 襟翼懸掛及作動器布置

表1 襟翼控制系統(tǒng)故障狀態(tài)

2.5 襟翼作動器極限載荷。襟翼作動器的極限載荷為作動器能承受的在實際情況中可能出現(xiàn)的最大靜載，這時襟翼作動器保持靜止、不動作，作動器極限載荷設(shè)計流程見圖7。

圖7 襟翼作動器極限載荷

3 結(jié)論

通過第2 章的襟翼設(shè)計載荷分析和計算之后，最后得到的可用于指導(dǎo)設(shè)計及制造的襟翼作動器載荷見表2 所示。

表2 襟翼作動器載荷結(jié)果

本文通過從CCAR23 部適航規(guī)章中針對襟翼載荷的條款入手，根據(jù)不同的氣動載荷條件及組合工況考慮得到襟翼作動器的最大操作載荷及設(shè)計載荷，從而導(dǎo)出襟翼控制系統(tǒng)力矩限制器的上限及系統(tǒng)故障狀態(tài)下的作動器載荷，最終得出襟翼作動器的極限載荷。這種設(shè)計載荷分析方法邏輯嚴(yán)密并對CCAR23部飛機(jī)采用相似架構(gòu)的襟翼控制系統(tǒng)具有普適性，對操縱面控制系統(tǒng)的載荷設(shè)計具有指導(dǎo)意義。