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  2. 航空小知識

    飛機上的氣動載荷 可以這么測

    時間:2018年12月03日 10:53   來源:大飛機報
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      飛機在滑行、起飛、巡航、降落一整個飛行周期中,受大氣壓影響,機體表面會承受多種力。如何知道氣流對飛機在整個飛行過程中產生的影響?商用飛機的測試工程師們有一整套嚴謹的測量方法,并且,他們還在不斷完善、更新。前段時間,ARJ21-700飛機103架機在福建三明完成了一項試飛任務,在國產商用飛機上首次應用了基于壓力帶的新型飛行載荷測量方法。測試工程師們是怎么做這項測試的?新的方法有哪些優點?本期《大飛機報》通過下面六個問題,說一說壓力帶法測試與改裝的那些事兒。

     

      什么是飛行載荷

      載荷指的是使結構或構件產生內力和變形的外力及其它因素,即作用在物體上的主動力。例如,重力、電磁力、氣體或液體作用在物體上的力、物體間的相互作用力等。

      對于一架飛機,從滑行、起飛、爬升、巡航,直至下降、著陸,無時不在承受著載荷,這就是所謂的飛行載荷。飛行載荷的大小及分布主要由大氣環境和飛機自身特性決定。

     

      飛行載荷測量的意義是什么

      飛機作為運載工具要求反復使用,這要求飛機結構需具有足夠的強度,保證飛機在可能經歷各樣的突風、機動、著陸、滑行等載荷歷程下具備結構安全。飛行載荷的準確測量是新機研制的關鍵技術。一方面,如果實際載荷大于設計值,飛機的安全性無法得到保證;另一方面,如果實際載荷遠小于設計值,結構安全余量過大將影響飛機的性能、載重及經濟性。

     

      如何測量飛行載荷

      飛行載荷測量主要包括機翼、機身及尾翼等主要結構部件的載荷測量,主要測量方法包括應變法、測壓帶法和壓力帶法,其中應變法和測壓帶法屬于傳統測量方法。

      應變法是指在被測結構表面粘貼應變片,通過測量飛機結構在載荷作用下產生的應變,通過建立的載荷方程,反推出所受載荷的大小。

      測壓帶法則是指在測壓部件上粘貼測壓帶(氣管),每根氣管對應一個測壓點,在管外側壁近似垂直局部翼面方向打孔,感受氣流表面靜壓,壓力管一端密封,另一端連接至壓力傳感器進行絕對壓力測量,而后轉換為飛行載荷。

      壓力帶法屬于新型飛行載荷測量方法,前期在國內暫未有所應用。其基本原理是指在測壓部件上粘貼壓力片用于感受絕對氣壓,而后通過串聯方式接入專項數采設備進行數據采集記錄,測得數據轉換為飛行載荷。

      本次ARJ21-700飛機103架機壓力帶課題搭載試飛的目的也正在于此,為基于壓力帶的新型載荷測量技術驗證及分析提供了數據和支撐。

     

      壓力帶法的優勢有哪些

      壓力帶的初代產品是美國波音公司在DARPA支持下與Endevco公司、佐治亞理工學院聯合研制的一種使用柔性襯底和MEMS微型壓力傳感器構成的陣列式翼面壓力測量系統,并開展了機翼模型的風洞試驗及飛行試驗。該方法在波音787飛行載荷的試飛中得以成功應用,克服了應用應變法測量復合材料飛行載荷的難題。國內此前暫未有應用。

      相比于傳統方法,壓力帶法的每一個壓力片具有獨立性,集成度高。不同于應變片的測量方法,通過在飛機機身鋪設壓力帶并將其串聯起來,所收集到的信號是集成數字信號,其測量精度更高。同時,對于測試改裝工作來說,壓力帶法的改裝更加簡便、周期短,并且對飛機結構傷害小、對氣動干擾較小,還有可重復使用及經濟性較好等優勢。

     

      測試改裝需考慮哪些因素

      壓力帶的測試改裝雖然更加簡便,但仍然有需要特別注意的因素。比如,首先要考慮的是壓力帶厚度對飛機氣動特性的影響。因為壓力帶是鋪設在機身上的,其厚度影響著飛行安全性和數據有效性。為此,測試工程師們結合飛機結構、測試需求及設備指標特性,協同設計人員進行CFD計算,確保了飛行安全及測得數據的有效性。

      另外一個要考慮的是外部設備安裝方法及線纜敷設,這影響著飛機安全或是舵面效率。測試工程師們在試驗開始前,開展了多方調研,綜合了材料選用和理論計算結果后,在地面試驗室開展多次剝離試驗,充分驗證了改裝方法的可靠性,形成了一套專項改裝方法。

     

      試驗的效果如何

      “基于壓力分布測量的載荷試飛技術研究及可行性驗證”是試飛中心的創新課題,該課題歷時3年,經歷了需求設計、系統設計、系統準備、理論分析及飛行驗證環節。

      在整個課題研究過程中,從初期的需求設計,協同設計結合飛機飛行載荷測試特點及壓力帶系統特點,開展試飛工程文件設計,并提出基于壓力帶的飛行驗證需求;到測試系統設計環節,根據測試需求,進行新型載荷測量方法設計;再到系統準備環節,針對基于壓力帶的新型載荷測量方法開展了系統改裝方法設計、安全性評估及改裝規范編制等工作,設備到位后開展了系統集成、地面聯試等工作;再到理論分析環節,協同設計專業進行表貼壓力帶對飛機翼面氣動流場的影響分析,并出具氣動分析評估報告;最后到此次的飛行試驗環節,完成了基于壓力帶的新型載荷測量方法搭載試飛工作,測得數據初步驗證有效。

      此次在ARJ21-700飛機103架機上搭載試飛成功,初步驗證了壓力帶新型飛行載荷測量法的可行性,為后續該方法在其他型號中的應用奠定了堅實的基礎。陳棟攝

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