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飞机上的气动载荷 可以这么测

时间:2018年12月03日 10:53   来源:大飞机报
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  飞机在滑行、起飞、巡航、降落一整个飞行周期中,受大气压影响,机体表面会承受多种力。如何知道气流对飞机在整个飞行过程中产生的影响?兴发娱乐的测试工程师们有一整套严谨的测量方法,并且,他们还在不断完善、更新。前段时间,ARJ21-700飞机103架机在福建三明完成了一项试飞任务,在国产兴发娱乐上首次应用了基于压力带的新型飞行载荷测量方法。测试工程师们是怎么做这项测试的?新的方法有哪些优点?本期《大飞机报》通过下面六个问题,说一说压力带法测试与改装的那些事儿。

 

  什么是飞行载荷

  载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素,即作用在物体上的主动力。例如,重力、电磁力、气体或液体作用在物体上的力、物体间的相互作用力等。

  对于一架飞机,从滑行、起飞、爬升、巡航,直至下降、着陆,无时不在承受着载荷,这就是所谓的飞行载荷。飞行载荷的大小及分布主要由大气环境和飞机自身特性决定。

 

  飞行载荷测量的意义是什么

  飞机作为运载工具要求反复使用,这要求飞机结构需具有足够的强度,保证飞机在可能经历各样的突风、机动、着陆、滑行等载荷历程下具备结构安全。飞行载荷的准确测量是新机研制的关键技术。一方面,如果实际载荷大于设计值,飞机的安全性无法得到保证;另一方面,如果实际载荷远小于设计值,结构安全余量过大将影响飞机的性能、载重及经济性。

 

  如何测量飞行载荷

  飞行载荷测量主要包括机翼、机身及尾翼等主要结构部件的载荷测量,主要测量方法包括应变法、测压带法和压力带法,其中应变法和测压带法属于传统测量方法。

  应变法是指在被测结构表面粘贴应变片,通过测量飞机结构在载荷作用下产生的应变,通过建立的载荷方程,反推出所受载荷的大小。

  测压带法则是指在测压部件上粘贴测压带(气管),每根气管对应一个测压点,在管外侧壁近似垂直局部翼面方向打孔,感受气流表面静压,压力管一端密封,另一端连接至压力传感器进行绝对压力测量,而后转换为飞行载荷。

  压力带法属于新型飞行载荷测量方法,前期在国内暂未有所应用。其基本原理是指在测压部件上粘贴压力片用于感受绝对气压,而后通过串联方式接入专项数采设备进行数据采集记录,测得数据转换为飞行载荷。

  本次ARJ21-700飞机103架机压力带课题搭载试飞的目的也正在于此,为基于压力带的新型载荷测量技术验证及分析提供了数据和支撑。

 

  压力带法的优势有哪些

  压力带的初代产品是美国波音公司在DARPA支持下与Endevco公司、佐治亚理工学院联合研制的一种使用柔性衬底和MEMS微型压力传感器构成的阵列式翼面压力测量系统,并开展了机翼模型的风洞试验及飞行试验。该方法在波音787飞行载荷的试飞中得以成功应用,克服了应用应变法测量复合材料飞行载荷的难题。国内此前暂未有应用。

  相比于传统方法,压力带法的每一个压力片具有独立性,集成度高。不同于应变片的测量方法,通过在飞机机身铺设压力带并将其串联起来,所收集到的信号是集成数字信号,其测量精度更高。同时,对于测试改装工作来说,压力带法的改装更加简便、周期短,并且对飞机结构伤害小、对气动干扰较小,还有可重复使用及经济性较好等优势。

 

  测试改装需考虑哪些因素

  压力带的测试改装虽然更加简便,但仍然有需要特别注意的因素。比如,首先要考虑的是压力带厚度对飞机气动特性的影响。因为压力带是铺设在机身上的,其厚度影响着飞行安全性和数据有效性。为此,测试工程师们结合飞机结构、测试需求及设备指标特性,协同设计人员进行CFD计算,确保了飞行安全及测得数据的有效性。

  另外一个要考虑的是外部设备安装方法及线缆敷设,这影响着飞机安全或是舵面效率。测试工程师们在试验开始前,开展了多方调研,综合了材料选用和理论计算结果后,在地面试验室开展多次剥离试验,充分验证了改装方法的可靠性,形成了一套专项改装方法。

 

  试验的效果如何

  “基于压力分布测量的载荷试飞技术研究及可行性验证”是试飞中心的创新课题,该课题历时3年,经历了需求设计、系统设计、系统准备、理论分析及飞行验证环节。

  在整个课题研究过程中,从初期的需求设计,协同设计结合飞机飞行载荷测试特点及压力带系统特点,开展试飞工程文件设计,并提出基于压力带的飞行验证需求;到测试系统设计环节,根据测试需求,进行新型载荷测量方法设计;再到系统准备环节,针对基于压力带的新型载荷测量方法开展了系统改装方法设计、安全性评估及改装规范编制等工作,设备到位后开展了系统集成、地面联试等工作;再到理论分析环节,协同设计专业进行表贴压力带对飞机翼面气动流场的影响分析,并出具气动分析评估报告;最后到此次的飞行试验环节,完成了基于压力带的新型载荷测量方法搭载试飞工作,测得数据初步验证有效。

  此次在ARJ21-700飞机103架机上搭载试飞成功,初步验证了压力带新型飞行载荷测量法的可行性,为后续该方法在其他型号中的应用奠定了坚实的基础。陈栋摄

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