Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量技術(shù)研究

易思云 龍小輝 陳霄陽(yáng)

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，四川 德陽(yáng) 618300；2.中國(guó)民航飛行學(xué)院機(jī)務(wù)處，四川 德陽(yáng) 618300）

0 引言

Cessna172飛機(jī)是美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司生產(chǎn)的單發(fā)四座上單翼多用途飛機(jī)，是我國(guó)目前飛行訓(xùn)練的主力機(jī)種之一，使用頻率和強(qiáng)度非常高。在我國(guó)Cessna 172飛機(jī)主要是作為初級(jí)教練機(jī)使用，而作為初級(jí)教練機(jī)使用的屬性，其必然會(huì)存在超限飛行、重著陸或其他偶發(fā)事件引起的過(guò)載現(xiàn)象，這些過(guò)載事件會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等機(jī)體結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生一定程度的永久變形，當(dāng)變形達(dá)到某一特定程度后，必定會(huì)明顯影響飛機(jī)的飛行性能和操縱性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜帮w行安全。此外，在Cessna172飛機(jī)重大結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)完成后，需對(duì)修復(fù)后飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等重要結(jié)構(gòu)的形面變化或相對(duì)位置變化進(jìn)行測(cè)量和控制，以保證飛機(jī)保持應(yīng)有的飛行性能和操縱性能。據(jù)了解，某飛行學(xué)院的Cessna172機(jī)群已普遍老齡化，部分飛機(jī)的飛行小時(shí)數(shù)超過(guò)18000h，而因巨大的飛行強(qiáng)度和超長(zhǎng)的飛行時(shí)間，飛機(jī)防火墻、機(jī)翼隔框、機(jī)翼連接點(diǎn)、尾翼等關(guān)鍵部位可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。如何對(duì)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢修的飛機(jī)和老齡化飛機(jī)開(kāi)展水平測(cè)量，以評(píng)估和控制飛機(jī)重要部位的變形情況，保證飛機(jī)應(yīng)有的飛行性能和操縱性能，已成為當(dāng)前該機(jī)群亟待解決的重要課題。

1 國(guó)內(nèi)Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量現(xiàn)狀

Cessna172飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）[1]中沒(méi)有水平測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)塞斯納飛機(jī)公司或國(guó)內(nèi)外其他飛機(jī)使用單位也沒(méi)有評(píng)估和判斷Cessna172飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形的科學(xué)有效的方法。對(duì)于在結(jié)構(gòu)大修和損傷修復(fù)時(shí)進(jìn)行水平測(cè)量，可以采用傳統(tǒng)測(cè)量方法[2]，也可以采用目前大型飛機(jī)水平測(cè)量所使用的常規(guī)水平測(cè)量方法和非常規(guī)水平測(cè)量方法[3]。Cessna172飛機(jī)傳統(tǒng)測(cè)量方法是使用機(jī)翼千斤頂、機(jī)翼托架、氣泡水平儀將飛機(jī)頂平，再使用水平儀、卷尺等簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行尺寸測(cè)量和目視觀察，以判定機(jī)身、機(jī)翼、安定面等結(jié)構(gòu)的變形情況，未建立一套科學(xué)、有效的水平測(cè)量技術(shù)體系，無(wú)法科學(xué)、客觀地制定損傷修復(fù)方案，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估與控制飛行性能和操縱性能。

2 測(cè)量系統(tǒng)說(shuō)明

文獻(xiàn)[4]對(duì)激光跟蹤儀的組成和功能進(jìn)行了介紹，激光跟蹤儀具有高精度、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)目標(biāo)搜索和跟蹤的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]指出了Leica AT403型激光跟蹤儀應(yīng)用在Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量中的具體方法，即利用海克斯康Leica AT403型激光跟蹤儀搭配B-Probe進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集，布置轉(zhuǎn)站點(diǎn)，利用Poly Works軟件將不同測(cè)量位置的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合在一個(gè)坐標(biāo)系里面，并完成測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與處理。

首先選取合適的測(cè)量位置，利用激光跟蹤儀遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)目標(biāo)搜索和跟蹤的特點(diǎn)，對(duì)飛機(jī)一側(cè)的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。然后布置轉(zhuǎn)站點(diǎn)，用反射球測(cè)量轉(zhuǎn)站點(diǎn)坐標(biāo)，利用Poly Works軟件實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站，將左右測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)都擬合在一個(gè)空間坐標(biāo)系中，完成飛機(jī)另一側(cè)各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，測(cè)量界面如圖1所示。利用Poly Works軟件對(duì)各測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、輸出，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，得到能直觀表現(xiàn)Cessna172飛機(jī)機(jī)翼、尾翼、機(jī)身等形面狀況的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)Cessna172飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形情況的準(zhǔn)確評(píng)估。

圖1 Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量界面

3 Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量方法

3.1 測(cè)量坐標(biāo)系的選定

選取機(jī)身門(mén)框前后兩個(gè)隔框上的艙門(mén)固定點(diǎn)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，以前隔框處門(mén)框鉸鏈上的安裝螺釘頭（左點(diǎn)a，右點(diǎn)b，O′為ab中點(diǎn)）和后隔框門(mén)閂上的固定螺釘頭（左點(diǎn)u，右點(diǎn)v，O為uv中點(diǎn)）為基準(zhǔn)點(diǎn)。X軸：以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，OO′沿機(jī)頭方向?yàn)閄軸正向；Y軸：以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Ou為Y軸正向，Ov為Y軸負(fù)向；Z軸：按右手定則建立Z軸，則以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直于XOY平面向上為Z軸正向，反之則為負(fù)向。坐標(biāo)系示意圖如圖2所示。

3.2 測(cè)量點(diǎn)的選定

（1）為了準(zhǔn)確測(cè)量各形面的變形，有如下測(cè)量點(diǎn)選取原則：

1）具有代表性的機(jī)翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點(diǎn)；

2）具有代表性的尾翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點(diǎn)；

3）機(jī)身重要隔框具有代表性的鉚釘中心點(diǎn)；

4）為便于測(cè)量以減少誤差，機(jī)翼上選點(diǎn)均在機(jī)翼下表面，水平尾翼選點(diǎn)均在尾翼上表面。

（2）按照以上原則，總共選取23個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系和測(cè)量點(diǎn)示意圖

1）機(jī)身測(cè)量點(diǎn)：在機(jī)身艙門(mén)前隔框、艙門(mén)后隔框、機(jī)身FS228.68站位隔框和機(jī)身背鰭，共選取7個(gè)具有代表性的鉚釘作為測(cè)量點(diǎn)，分別記為a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)、d點(diǎn)、u點(diǎn)、v點(diǎn)、p點(diǎn)。機(jī)身站位如圖3所示。

2）機(jī)翼測(cè)量點(diǎn)：選取左右機(jī)翼208.00WS、100.00WS站位處翼肋分別與機(jī)翼前后翼梁相交處的鉚釘作為測(cè)量點(diǎn)。左右機(jī)翼共8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為e點(diǎn)、f點(diǎn)、g點(diǎn)、h點(diǎn)、i點(diǎn)、j點(diǎn)、k點(diǎn)、l點(diǎn)。機(jī)翼站位如圖3所示。

圖3 Cessna172飛機(jī)站位

3）水平尾翼測(cè)量點(diǎn)：選取水平尾翼前梁、后梁與外側(cè)翼肋相交處的鉚釘作為測(cè)量點(diǎn)。共4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為m點(diǎn)、n點(diǎn)、q點(diǎn)、r點(diǎn)。

4）垂直尾翼測(cè)量點(diǎn)：選取垂直尾翼前梁、后梁上部鉚釘作為測(cè)量點(diǎn)。共4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為s點(diǎn)、t點(diǎn)、s′點(diǎn)、t′點(diǎn)。

3.3 水平測(cè)量數(shù)據(jù)采集

先在飛機(jī)一側(cè)完成12個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集工作。在對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在飛機(jī)單側(cè)不能進(jìn)行全部的數(shù)據(jù)采集，因此需要把激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站到另一側(cè)，繼續(xù)完成11個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集工作。為了將兩側(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)在一個(gè)坐標(biāo)系中展現(xiàn)，需要在兩側(cè)分別測(cè)量轉(zhuǎn)站點(diǎn)。使用Poly Works軟件，利用轉(zhuǎn)站點(diǎn)的坐標(biāo)，將兩側(cè)的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合到一個(gè)空間坐標(biāo)系中。

3.4 確定測(cè)量要素的特征參數(shù)

測(cè)量23個(gè)點(diǎn)得出它們的三維坐標(biāo)，為直觀地表現(xiàn)Cessna172飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀況，需要將點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為角度數(shù)據(jù)和對(duì)稱(chēng)性數(shù)據(jù)。

3.4.1 機(jī)翼安裝角

機(jī)翼安裝角是機(jī)翼翼根弦線與機(jī)身軸線之間的夾角。Cessna172飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)側(cè)部分在機(jī)翼站位39.00WS至71.125WS處有結(jié)構(gòu)油箱，因此機(jī)翼內(nèi)側(cè)部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很大，不會(huì)產(chǎn)生變形的情況。測(cè)量100.50WS處前后翼梁與翼肋交點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用前后交點(diǎn)的Z軸和X軸坐標(biāo)按照下式計(jì)算的數(shù)據(jù)，定義為Cessna172飛機(jī)左右機(jī)翼安裝角。

（1）左機(jī)翼：ik與XOY平面夾角，用表征；

（2）右機(jī)翼：jl與XOY平面夾角，用表征。

3.4.2 機(jī)翼上反角

Cessna172飛機(jī)機(jī)翼安裝是從根部向外，有一個(gè)上翹的角度，這個(gè)上翹的角度就叫上反角。測(cè)量機(jī)翼前梁與100.50WS（翼中）、190.00WS（翼尖）翼肋交點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用翼中和翼尖Z軸和Y軸坐標(biāo)按照下式計(jì)算的數(shù)據(jù)，定義為Cessna172飛機(jī)左右機(jī)翼上反角。

（1）左機(jī)翼：ei與XOY平面夾角，用表征；

（2）右機(jī)翼：fj與XOY平面夾角，用表征。

3.4.3 垂尾安裝角

垂尾安裝角是垂直尾翼弦線與機(jī)身軸線之間的夾角。測(cè)量垂尾前后梁與最上端尾翼隔框在左右兩側(cè)交點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到垂尾弦線與機(jī)身軸線之間的夾角，用表征。

3.4.4 垂尾傾斜角

垂尾傾斜角是垂直尾翼在Z軸方向的傾斜角。測(cè)量垂尾前梁與最上端尾翼隔框在左右兩側(cè)交點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，測(cè)量FS228.68隔框左右兩邊對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。對(duì)比計(jì)算這兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算出垂尾傾斜角，用表征。

3.4.5 平尾安裝角

平尾安裝角是水平尾翼弦線與機(jī)身軸線之間的夾角。測(cè)量水平尾翼前后梁與外側(cè)平尾隔框交點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算得到平尾弦線與機(jī)身X軸線之間的夾角。

3.4.6 平尾上反角

Cessna172飛機(jī)平尾安裝是從根部向外，有一個(gè)上翹的角度，這個(gè)上翹的角度就叫上反角。測(cè)量水平尾翼后梁與外側(cè)平尾隔框交點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，按照下式計(jì)算得到平尾與機(jī)身Y軸線之間的夾角。

3.4.7 機(jī)翼和平尾的對(duì)稱(chēng)性

機(jī)翼對(duì)稱(chēng)性是對(duì)左右機(jī)翼在X、Y、Z方向是否對(duì)稱(chēng)、對(duì)稱(chēng)是否改變的評(píng)估，測(cè)量左右機(jī)翼后梁與機(jī)翼外側(cè)翼肋的交點(diǎn)，對(duì)比左右兩點(diǎn)在三個(gè)方向的差值，得出機(jī)翼的對(duì)稱(chēng)性。平尾對(duì)稱(chēng)性是對(duì)左右水平尾翼在X、Y、Z方向是否對(duì)稱(chēng)、對(duì)稱(chēng)是否改變的評(píng)估，測(cè)量左右水平尾翼后梁與外側(cè)隔框的交點(diǎn)，對(duì)比左右兩點(diǎn)在三個(gè)方向的差值，得出平尾的對(duì)稱(chēng)性。

（1）機(jī)翼對(duì)稱(chēng)性：用|Xh-Xg|、|Yh-Yg|、|Zh-Zg|表征；

（2）水平尾翼對(duì)稱(chēng)性：用|Xr-Xq|、|Yr-Yq|、|Zr-Zq|表征。

3.4.8 機(jī)翼的變形

（1）機(jī)翼的彎曲變形：機(jī)翼的彎曲變形是對(duì)機(jī)翼在Y軸方向是否存在形變、形變程度的評(píng)估，將機(jī)翼前后梁與機(jī)翼外側(cè)翼肋交點(diǎn)的Z軸數(shù)據(jù)去平均數(shù)來(lái)表征機(jī)翼的彎曲變形情況。

1）左機(jī)翼：用（Ze+Zg）/2表征；2）右機(jī)翼：用（Zf+Zh）/2表征。

（2）機(jī)翼的扭曲變形：機(jī)翼的扭曲變形是對(duì)機(jī)翼是否存在扭轉(zhuǎn)形變的評(píng)估。利用機(jī)翼前后梁與機(jī)翼100.50WS翼肋的交點(diǎn)坐標(biāo)，以及機(jī)翼前后梁與機(jī)翼外側(cè)翼肋的交點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算100.50WS機(jī)翼弦線和翼尖機(jī)翼弦線與X軸的角度，再計(jì)算它們的差值，得到機(jī)翼的扭曲變形情況。

3.4.9 機(jī)身的變形

（1）機(jī)身的彎曲變形：機(jī)身的彎曲變形是對(duì)飛機(jī)分別在Z軸方向和Y軸方向變形情況的評(píng)估。即計(jì)算FS228.68左右對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)在Z軸方向的平均數(shù)，來(lái)表征機(jī)身在XOZ平面的形變數(shù)據(jù)；計(jì)算FS228.68左右對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)在Y軸方向的平均數(shù)，來(lái)表征機(jī)身在XOY平面的形變數(shù)據(jù)。

1）機(jī)體坐標(biāo)系：XOZ平面，用|（Zd+Zc）/2|表征；2）機(jī)體坐標(biāo)系：XOY平面，用|（Yd+Yc）/2|表征。

（2）機(jī)身的扭曲變形：機(jī)身的扭曲變形是對(duì)機(jī)身是否存在扭轉(zhuǎn)形變的評(píng)估。利用FS228.68左右對(duì)稱(chēng)的兩點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算其連線與XOY平面的夾角得出機(jī)身的扭曲變形情況，用表征。

3.5 Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量數(shù)據(jù)處理

在Poly Works軟件中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出格式進(jìn)行調(diào)整，使其輸出數(shù)據(jù)更加簡(jiǎn)潔。為方便將Poly Works軟件輸出的大量測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)樣本計(jì)算為能直觀表現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)的特征參數(shù)，將3.4中的特征參數(shù)計(jì)算公式編寫(xiě)成一款專(zhuān)用計(jì)算軟件，計(jì)算軟件界面如圖4所示。將測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入該計(jì)算軟件，得出所需的表征飛機(jī)狀態(tài)的特征參數(shù)。

圖4 水平測(cè)量專(zhuān)用計(jì)算軟件

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用驗(yàn)證得知，該Cessna172飛機(jī)水平測(cè)量方案具有更高的測(cè)量精度，比傳統(tǒng)測(cè)量方法更科學(xué)、有效，并能節(jié)約50%的時(shí)間，在對(duì)Cessna172飛機(jī)進(jìn)行重大結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)和老齡飛機(jī)的機(jī)體形面變形情況的判定時(shí)具有重要作用，可以有效保證飛機(jī)應(yīng)有的飛行性能和操縱性能，對(duì)保障Cessna172機(jī)群飛行安全具有重要意義。此外，本研究成果可為開(kāi)展其他機(jī)型水平測(cè)量技術(shù)研究提供理論借鑒。