民機駕駛盤力測試技術研究

張勇

(上海飛機設計研究院 民用飛機模擬飛行國家重點實驗室，上海 201210)

0 引言

駕駛艙操作組件是飛行員與飛機非常重要的接口之一，飛行員通過操作組件來完成對飛機的控制。在波音系列飛機中，駕駛桿、駕駛盤是典型的設計特征之一，而在駕駛桿、駕駛盤的傳動機構中，鋼索是非常關鍵的傳動部件。飛行員操作駕駛桿、駕駛盤帶動鋼索，通過鋼索帶動傳感器運動，將電信號發往舵面處的作動器，推動舵面運動[1]，使飛行員的操作轉化為對飛機姿態的控制指令，實現飛機的控制,準確、實時的操縱力感能幫助飛行員判斷飛機的飛行狀態[2]。合理的感覺力設計是電傳飛機的一個重要組成部分，也是直接影響飛機飛行品質的重要因素[3-5]，其設計應該不給飛行員造成額外的操作負擔。適航CCAR 25部中明確對盤式操縱的最大操縱力給出了限制，因此，需要對操縱力進行準確的測試，確保飛機滿足相關的適航要求。目前主要的測量方法包括操縱力測量裝置、張力計測量等。這些方法主要適用于試驗室測試，設備安裝與調試、維修測試，不適用于駕駛員的操縱試驗，更無法滿足空中測試的需要。

1 操縱力測試方案分析

1.1 操縱力測量裝置

操縱力測量裝置是一套專為飛機駕駛艙桿、駕駛盤和腳蹬設計的測量工具，國內外均有原理類似的成熟產品，能夠直接對操縱機構的操縱力和位移進行測量。該裝置包含專用的測試夾具和測試傳感器，并配有測試計算機和相應的數據記錄軟件，如圖1所示。

圖1 操縱力測量設備組成

該測試方案測試原理簡單，安裝方便。但也具有明顯的局限性：1) 測試結果重復性有限，因為每次測試夾具安裝情況會直接影響測量結果；2) 只適合于地面測試，在試驗室使用效果理想，適用于產品研發。

1.2 鋼索張力計

鋼索張力計是一種對鋼索張力進行測試的現場工具，通過簡單的裝卡操作就可方便地測量鋼索的張力。通過鋼索張力的測試可以間接換算出駕駛盤力(圖2)。

該方案測試方便，但也具有明顯的測試局限：1) 靜態測試。需要將駕駛盤保持在某個固定角度，測量即時角度下的張力。2) 測試精度不高。3) 人為因素影響較大。因為是靠人來讀數，所以在駕駛艙狹小陰暗的環境下，測試誤差較大。

圖2 張力計測試方案

1.3 鋼索末端應變測試

國外駕駛盤產品供應商在試驗室曾采用過在鋼索末端貼制應變片的方式，通過測試鋼索的應力，間接折算出駕駛盤力的測試方案。

該方案的測試分析如圖3所示。由于在鋼索與導輪之間存在較大的接觸摩擦力F動，該力與接觸表面的粗糙程度和相對壓力有關，一般來說操縱力越大，F動越大[6-7]。F動會隨著鋼索與導輪接觸長度L(L=l1+l2，l1變化很小，但l2會隨著轉盤轉動而變長或變短)和接觸力F壓(隨著鋼索張緊或放松而變大或變小)的變化而變化，當鋼索運動時，L和F壓都將變化。因此F動是一個不確定的變量，導致在鋼索末端測試的F鋼索也是一個不穩定的值。

圖3 鋼索運動示意圖

實際測試數據如圖4所示。

1) 零位測試誤差大。圖4(a)起始張力為720 N，結束時張力為890 N，零位誤差相差170 N。

2) 測試數據重復性差。圖4(a)起始張力720 N，圖4(b)起始張力為800 N。

圖4 駕駛盤鋼索測試數據

1.4 測試要求分析

上述不同測試方案雖然在實際工程中都有應用，但都有明顯的缺陷。為滿足飛機實際測試需要，應設計出一種更加切實可行的試驗方案，該方案應該滿足如下需求：1) 不影響飛機的飛行安全。2) 不影響駕駛員的正常操縱。3) 測試原理簡單，測試效果優良。4) 滿足動態實時測試的需求。因此需要設計一種基于傳感器、測試數據記錄分析的測試設備。

2 鋼索力測試方案設計

2.1 總體方案

測試方案如圖5所示。該方案主體機構是對鋼索進行改制，斷開鋼索，并選用鋼索壓接螺栓和自制松緊螺套連接鋼索，在自制松緊螺套上貼應變片進行應變測試。

圖5 應變片方案示意圖

圖5(b)零件為鋼索壓接螺栓，型號為MS21260-S4，每條鋼索需要安裝2個(分別是MS21260-S4LH和MS21260-S4RH)，中間用自制松緊螺套進行連接。

2.2 自制松緊螺套設計

自制松緊螺套是粘貼應變片的零件，也是鋼索力測試的關鍵，該零件的設計需滿足以下條件：1) 受力部件要有足夠的變形應變量，提高測試精度，便于測量。2) 安全性要高，不會因為鋼索的反復運動而出現脫開現象。3) 零件盡量輕，不會對鋼索的運動產生額外的慣性負載。4) 零件的熱膨脹系數較低，不會因溫度變化產生較大的變形量。

a) 材料設計

自制松緊螺套的材料可考慮鋼、銅、鋁3種材料。通過公式(1)計算各種材料的理論受力截面面積。

(1)

式中：A為自制松緊螺套的受力截面面積，mm2；F為鋼索力，N；E為材料的彈性模量，GPa；ε為應變值，με。

計算中，以正常操縱力計算鋼索力，設計自制松緊螺套，設計安全系數時，應同時考慮正常操縱力和脫開力兩種力，確保自制松緊螺套的安全性。

采用應變片測試時，應變量在500～50 000με時，測試效果較好，因此可取應變值為1 000 με。

根據式(1)和表1得到正常操縱狀態下的自制螺套受力截面面積A后，應考慮在正常操縱力和脫開力兩種狀態下，每種材料的屈服極限面積，通過公式(2)計算屈服極限面積，并通過公式(3)計算安全系數。

As=F/σs

(2)

ns=A/As

(3)

式中：As為屈服極限面積，mm2；σs為屈服極限，MPa；ns為安全系數。

表1 3種備選材料的彈性模量及截面面積

從表2的計算結果可知，選用鋁材既能保證測試效果，同時安全系數較高(ns正常操縱=3.86，ns脫開=2.26)。

表2 3種材料的屈服極限及安全系數

b) 結構設計

將自制松緊螺套零件設計為如圖6所示的外形，需滿足以下條件：1) 確保貼片處的截面尺寸滿足應變片貼片的需求。2) 兩端設計為六角螺母形制，便于工程實施。3) 兩端頭設計穿孔，用于打保險銷，起到防脫作用。4) 自制螺母的長度應考慮測試組件的總長度要求，即不能超出鋼索兩端的運動范圍。

圖6 自制松緊螺套圖

c) 強度校核

自制螺套選用鋁材(LY12)，與其配套的標準件MS21260為鋼材標準件。根據該標準件的說明書可知，MS21260能夠承受2 000 lbf，符合設計要求。因此兩者的連接強度校核需要重點考慮自制螺套。

強度校核可以最大脫開力瞬間作為考核目標。

螺紋承受的最大軸向外載荷Fmax為F脫開=1 941N；

自制螺套公稱直徑M=0.25 inch=6.35mm；

自制螺套內螺紋小徑d=0.211 3 inch=5.367 02mm；

自制螺套內螺紋大徑D=2M-d=0.288 7 inch=7.332 98mm；

自制螺套牙距p=1/28 inch=0.917mm；

自制螺套螺紋牙工作高度h=0.589 2mm；

牙型(普通螺紋)牙根寬度b=0.87p=0.797 79mm；

螺栓數量z=1；

由于螺紋配合為鋼鋁配合，由于d/p<8，所以載荷不均系數kz=6p/d=1.025。

內螺紋彎應力：

計算可知，LY12自制螺套的螺紋牙強度符合要求。

3 實際應用

該方案在飛機鋼索上進行了實際改制，應用情況如圖7所示，測試良好，測試結果如圖8所示。

圖7 鋼索改制與機上測試數據

從圖8應變片測試結果可知，鋼索力與盤力具有線性對應關系，通過鋼索力間接測試盤力的方案是可行的。駕駛盤操縱極限位置的鋼索合成張力為55.76kg，盤力為109.28N，符合理論值108 ±16N(盤±60°)的設計指標，測試結果良好。

4 結語

飛機參數的測試不但要考慮參數測試的可能性，更重要的要考慮飛機各種使用狀態下的安全性。本文通過對各種駕駛盤力測試方法的比較，創新性地提出了通過改造鋼索進行測試的技術方案，并成功應用于飛機試驗，解決了安全、改裝空間、質量、測試精度等問題，并在此基礎上形成了專利，創新性地為駕駛盤操縱力測量提供了有益的參考。

圖8 鋼索張力試驗室測試曲線