民用飛機地面模擬試驗氣動力模擬系統(tǒng)的原理性估算

戴燁飛

(上海飛機設計研究院，上海 200000)

民用飛機在進行飛行試驗之前，要先進行地面模擬試驗。國內(nèi)外，各飛機制造商的地面模擬試驗主要通過鐵鳥進行。鐵鳥一般是由真實的飛控、起落架、液壓、電源等系統(tǒng)集合而成的綜合試驗平臺。

氣動力模擬系統(tǒng)，又稱舵面加載系統(tǒng)或鉸鏈力矩模擬器，它是鐵鳥試驗平臺上為飛控系統(tǒng)作動系統(tǒng)提供模擬氣動力或鉸鏈力矩的試驗設備，是強位置耦合的力伺服系統(tǒng)，鐵鳥試驗中半物理仿真的重要試驗設備。［1］

1 基本原理

同普遍的伺服系統(tǒng)一樣，氣動力模擬系統(tǒng)根據(jù)供能方式的不同，可以分為電動方式的氣動力模擬系統(tǒng)和電液方式的氣動力模擬系統(tǒng)，前者一般具有響應速度快，參數(shù)穩(wěn)定，體積小，成本低等優(yōu)點，而后者則具有較寬的頻帶、較大的輸出力等優(yōu)點。由于飛機所受的氣動力較大，鐵鳥上的氣動力模擬系統(tǒng)多采用電液氣動力模擬系統(tǒng)。［2］

電液氣動力模擬系統(tǒng)的基本原理如圖1所示?？刂破鞲鶕?jù)輸入的指令信號、反饋的力傳感器和位移傳感器信號，解算出控制電液伺服閥的電壓信號。電液伺服閥根據(jù)信號控制流入作動筒的液壓油，從而控制系統(tǒng)輸出力。

圖1 電液氣動力模擬系統(tǒng)基本原理簡圖

2 設計指標的估算

一般在伺服系統(tǒng)設計之前，需要確定系統(tǒng)應該具有何種性能，也就是要確定系統(tǒng)的性能指標，即系統(tǒng)的設計輸入。氣動力模擬系統(tǒng)的性能指標主要來自于飛機的作動系統(tǒng)和舵面，即舵面的質(zhì)量、慣量、偏轉(zhuǎn)精度、行程、偏轉(zhuǎn)速率以及隨舵面偏轉(zhuǎn)的氣動力模擬系統(tǒng)設計的輸入。［3］

氣動力模擬系統(tǒng)的設計指標一般包括輸出力范圍、行程、精度、頻率響應等。輸出力范圍根據(jù)飛機舵面在空中所受到的氣動載荷而定，但是考慮傳感器的線性度和系統(tǒng)的裕量，一般系統(tǒng)設計時在舵面所受氣動載荷的基礎上再增加20%－30%的余量。

行程主要是指作動筒的正反兩個方向運動的位移總量。它與舵面的偏角范圍和作動器的安裝位置有關，同時在設計時也要考慮留有一定的余量。

系統(tǒng)精度包括靜態(tài)精度和動態(tài)精度。靜態(tài)精度主要取決于飛機舵面偏轉(zhuǎn)的精度，根據(jù)一般工程估算的原則，氣動力模擬系統(tǒng)的精度應該比飛機舵面偏轉(zhuǎn)精度高5－10倍。動態(tài)精度主要是指系統(tǒng)能夠克服多余力的能力。在氣動力模擬系統(tǒng)加載過程中，由于系統(tǒng)隨著舵面的運動而運動，從而產(chǎn)生由位置干擾而引起的多余力。多余力的存在對系統(tǒng)的輸出力有很大的影響，因此在系統(tǒng)設計中要盡量克服多余力，一般要求多余力小于3% －5%。

頻率響應也就是系統(tǒng)的帶寬，通常是在總輸入幅值5%－10%的輸入信號下，系統(tǒng)輸出幅值衰減3dB時的頻率。一般試驗設備的帶寬應高于被測系統(tǒng)的5－8倍，也就是說氣動力模擬系統(tǒng)的帶寬應該是飛機作動系統(tǒng)帶寬的5－8倍。［4］但是在實際上，由于電液伺服系統(tǒng)本身限制，不可能具有較大的帶寬，一般氣動力模擬系統(tǒng)的帶寬在3－5Hz左右。

另外，在系統(tǒng)設計時，還需要考慮系統(tǒng)的分辨率、零位漂移等指標。

3 原理性估算

在確定了性能指標之后，就可以進行原理性估算了。原理性估算主要確定如何選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)、電液伺服閥。［5］這里以液壓缸為執(zhí)行機構(gòu)的力伺服系統(tǒng)的原理性估算為例進行說明。

3.1 液壓缸參數(shù)計算

某一型號飛機升降舵氣動力模擬系統(tǒng)要求其行程為170mm，載荷為25000N，速度為200mm/s。根據(jù)要求的最大載荷25000N，考慮一定的余量，取氣動力模擬系統(tǒng)所輸出的最大力為35000N。一般飛機的液壓系統(tǒng)的額定壓力為21MPa，取氣動力模擬系統(tǒng)的供油壓力為21MPa。

由公式

求得液壓缸內(nèi)徑D=46mm，查機械手冊可取D=50mm。

根據(jù)工作壓力選取液壓缸往復速度比，ψ=2，由公式

求得活塞桿直徑d=D/2=23mm，查機械手冊可取d=28mm。

根據(jù)以上計算值，選取液壓缸的長度。一般液壓缸長度不應大于內(nèi)徑的20－30倍，同時，液壓缸長度的選擇也應考慮飛機控制面的行程、氣動力模擬系統(tǒng)的安裝位置等因素。

3.2 電液伺服閥選型

電液伺服閥的主要根據(jù)負載流量和額定閥壓降下的流量曲線來選取。

伺服閥的負載流量可有以下公式計算而得(不考慮能量損失):

其中Qmax為最大負載流量，Vmax為液壓缸活塞桿的最大運動速度。根據(jù)以上公式最后求得

Qmax=1347*200=269400=16.1 L/min。

根據(jù)以上計算所得的流量值，結(jié)合電液伺服閥的額定閥壓降下的流量曲線選取合適的電液伺服閥。圖2所示是穆格G761系統(tǒng)電液伺服閥，一般額定閥壓降取7MPa，根據(jù)計算所得的最大負載流量，考慮一定的余量，可以選取最大負載流量為38L/min的G761－3004型伺服閥。

圖2 G761系列流量曲線

4 結(jié)論

原理性估算主要是對氣動力模擬系統(tǒng)的性能指標進行估算，為其部件選型提供依據(jù)。在原理性估算完成后，就可以依據(jù)選定的系統(tǒng)部件的參數(shù)進行詳細數(shù)字仿真和計算，并設計氣動力模擬系統(tǒng)的控制策略?？刂撇呗缘脑O計主要是消除氣動力模擬系統(tǒng)在隨飛機舵面運動過程中產(chǎn)生的干擾力，即多余力。消除多余力是氣動力模擬系統(tǒng)設計中的關鍵，原理性估算則是系統(tǒng)設計的必要前提。

［1］張德發(fā)，葉勝利.飛行控制系統(tǒng)的地面與飛行試驗［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［2］申安玉，申學仁，李云保.自動飛行控制系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［3］厲虹，楊黎明，艾紅.伺服技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［4］王宗學.飛行器控制概論［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1994.

［5］楊勇.多自由度液壓伺服系統(tǒng)的控制策略研究［D］.長沙:中南大學，2006.