民用飛機高升力系統(tǒng)翼面傾斜探測方案分析

馬軍輝，徐向榮

(上海飛機設計研究院飛控部，上海 200232)

民用飛機高升力系統(tǒng)分為縫翼系統(tǒng)和襟翼系統(tǒng)。以波音737飛機為例，縫翼包括1個內縫翼和4個外縫翼，襟翼包括1個內襟翼和1個外襟翼。在襟縫翼正常的收起和放下時，襟、縫翼系統(tǒng)要分別保持翼面的一致性。如果翼面不一致，將造成實際與預期的氣動特性不一致，在飛機起降階段降低高升力系統(tǒng)的升阻作用。翼面不一致主要由作動機構的故障引起，如作動器內齒輪嚙合的脫開、驅動齒輪齒條的脫開等。因此，有必要引入襟縫翼傾斜探測系統(tǒng)，通過檢測翼面的傾斜來檢測作動機構的故障并鎖止系統(tǒng)以防止更嚴重的故障發(fā)生，并提供告警。

1 傾斜探測方案

傾斜探測系統(tǒng)包括襟/縫翼計算機、傾斜傳感器、運動機構等。

襟縫翼計算機通常有兩個，用來進行邏輯運算、發(fā)送指令和接收信號。

傾斜傳感器采用雙通道的方式分別與兩個襟縫翼計算機相連，以增加系統(tǒng)的可靠性。傳感器類型有接近傳感器、resolver、LVDT、光纖傳感器等。

運動機構的作用是將翼面的運動轉換成傳感器可檢測到的運動。典型的運動機構有鋼索機構、交聯(lián)機構和曲柄連桿機構等。其他種類的運動機構，基本都由這3種運動機構演變而來，例如光纖式探測系統(tǒng)，就是由鋼索式探測系統(tǒng)演變而來。

1.1 鋼索機構

鋼索式傾斜探測系統(tǒng)一般用在縫翼上，用以檢測多個并排翼面的不一致。以US5648277專利［1］為例，主要由計算機、接近傳感器、鋼索、機械結構(鎖止裝置、預緊彈簧)等組成，如圖1所示。

圖1 鋼索式傾斜探測器

當翼面傾斜時，鋼索被拉伸，拉桿將壓縮軟彈簧和硬彈簧，直到卡殼被卡鎖鎖住。這時接近傳感器會檢測到信號，并傳遞給計算機，用于判斷翼面是否傾斜。

軟彈簧是抵抗正常干擾的阻尼器。卡鎖卡住卡殼，以保證得到穩(wěn)定的傳感器信號，信號只有在持續(xù)一段時間后才會被計算機檢測到。

1.2 交聯(lián)機構

交聯(lián)機構安裝在兩塊翼面之間，通過檢測兩個翼面的相對運動來判斷是否發(fā)生傾斜，如圖2所示。當兩塊翼面運動不一致時，就會拉伸交聯(lián)機構。阻尼器吸收沖擊能量，并盡可能保證翼面的一致。當交聯(lián)機構的拉伸值超出設定值時，傳感器將被觸發(fā)。

圖2 交聯(lián)機構式傾斜探測器

1.3 曲柄連桿機構

以專利 US6299108為例［2］，曲柄連桿機構安裝在每個作動器站位上。曲柄連桿機構將翼面的平移運動轉化為可供傳感器檢測到的旋轉位移。

連桿與翼面相連，曲柄與傳感器相連。計算機通過比較不同站位上的傳感器輸出值來判斷翼面是否傾斜，如圖3所示。

圖3 曲柄連桿式傾斜探測器

2 設計要素

在設計傾斜探測系統(tǒng)時，需要考慮如下設計要素：

a．安全性需求。

是否設計傾斜探測系統(tǒng)應根據(jù)高升力系統(tǒng)安全性需求確定。

系統(tǒng)功能危害評估文件對功能失效狀態(tài)進行分級并確定安全性指標。如果襟、縫翼發(fā)生傾斜對應的功能失效等級較低且概率小于安全性指標，可以選擇不對此功能失效進行監(jiān)控。這可以解釋A320飛機縫翼沒有傾斜探測系統(tǒng)的原因。

b．襟、縫翼翼面布局。

傾斜探測系統(tǒng)的設計還應考慮襟、縫翼翼面的布局。B737飛機采用雙縫襟翼而A320采用單縫襟翼。B737采用了較適合于雙縫襟翼的曲柄連桿機構，而A320飛機則采用了交聯(lián)機構。

c．高升力系統(tǒng)的架構。

除了傾斜探測功能，高升力系統(tǒng)還應具有位置檢測和非對稱檢測功能。因此，設計傾斜探測方案應考慮位置檢測和非對稱檢測方案。例如B737飛機的襟翼采用在各個作動器站位上安裝曲柄連桿式傾斜探測器，其中最外側站位的傳感器還可以用來檢測位置和非對稱。

d．轉換曲線。

傳感器檢測到的位移與翼面位移的關系曲線稱為轉換曲線，用函數(shù)y=f(x)表示，其中y為傳感器檢測到的位移，x為翼面的位移。轉換曲線的理想狀態(tài)應是斜率適中的直線。斜率過大，閾值增大，會增加檢測不出的概率;斜率過小，閾值減小，會造成誤檢測。在實際情況中，轉換曲線一般都為曲線。轉換曲線與運動機構及其安裝點有關，并受翼面變形的影響。

e．比較方式。

比較方式分為兩種：比較傳感器檢測值與預先設定值;比較對稱位置的傳感器值。

第一種比較方式，比較曲線應為y1=f1(t)±z(t)，其中t為時間，z(t)為閾值。當實際檢測值y2超出y1的范圍，系統(tǒng)報警。第二種方式，直接將左右機翼對稱位置的傳感器檢測值相比較。若采用第一種方法，需要通過設計和試飛實驗來保證曲線的準確性;若采用第二種方法，需要考慮飛機滾轉的影響，由于比較了兩個傳感器的值，所以傳感器的誤差帶會累積，造成系統(tǒng)精度降低。

f．閾值。

由于設計、制造、安裝誤差和飛行時受氣流擾動的影響，將會對傾斜探測造成干擾，因此應設置合理的閾值，盡可能排除誤報警。閾值的設定，還應考慮氣動載荷的影響。

g．檢測精度。

傳感器、運動機構、轉換曲線、比較方式和閾值都能影響傾斜探測系統(tǒng)的檢測精度。不同的傳感器，精度不同，但是選取傳感器時，還要考慮成本、可靠性等問題。

h．質量和成本。

成本是民用飛機競爭力的主要指標之一，因此在設計傾斜探測系統(tǒng)時還應考慮質量大小和成本高低的問題。

i．部件安裝。

由于在飛機機翼前后緣的空間有限，因此還應考慮部件安裝、拆卸、開檢查孔等問題。

3 結束語

民用飛機高升力傾斜探測系統(tǒng)的設計需要考慮眾多因素，但減少誤檢測和提高檢測靈敏度始終是一對不可調和的矛盾。因此，轉換曲線、比較方式和閾值的設計在硬件方案日趨成熟的環(huán)境下顯得更加重要，已成為傾斜探測系統(tǒng)設計的主要研究方向。

［1］ The Boeing company．Auxiliary airfoil lost motion detector and actuator：United States，US5628477［P］．1997-05-13．

［2］ The Boeing company．Method and apparatus for detecting skew and asymmetry of an airplane flap：United States，US6299108B1［P］．2001-10-09．