作动器参数对飞机操纵面颤振特性影响研究

作动器参数对飞机操纵面颤振特性影响研究

耿景峰

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁省沈阳市 110034

摘要：作动器设计参数对于民用飞机制动操纵控制面板的颤振技术特性设计有较大的影响,特别是在我国民用飞机详细初步设计工作阶段,作制动器参数将直接影响到初步设计阶段相关颤振专业领域如客机飞控、结构等颤振专业的整体设计。本文通过介绍颤振的概念和颤振的研究，来探究作动器参数对飞机操纵面颤振特性影响。

关键词：作动器参数 颤振 操纵面

为了保持平衡和机动飞行,飞机配备有副翼、升降舵等控制面,这些控制面具有一定的刚度,所以可能发生颤振的控制面主要参与或控制表面的运动模式。控制面颤振是颤振研究的重要组成部分，也是新型飞机研制的必要工作。舵杆旋转是现代飞机中重要的旋转操纵面之一。垂尾模态的颤振通常表现为舵翼转动与垂尾模态的耦合。在确定了垂直尾翼和驱动舵在固定方向的重量和驱动刚度控制方案后，如何快速确定垂直尾翼作为作动器的参数是否满足要求是非常重要的。

一.颤振的概念

按照在国际以及相关科学技术标准规范中的相关定义,颤振物体振动指的是物体在真空中和气流中高速颤振运动的一种物体内部结构由于空气流动和作用的动力、惯性力、作用力和弹性力的相互作用下发生变化，从而形成一种具有很强自激性的物体振动。我们现在日常生活当中能够轻易看见的各种惯性阻尼振动基本上都称为惯性阻尼振荡的动力和弹性力,例如足球在地上的一种惯性力中弹跳、拨动琴弦后连续敲击整个琴弦的一种惯性阻尼振动等,由于阻尼的强度增大等等缘故,这种具有惯性力的振动总是不断周期性地发生衰减从而缩小直至完全停止消失^[1]。

高速飞行过程中的大型飞机除了自身机体结构固有的双重惯性驱动力与弹性力外,同时也必须持续性地处于自身外界与空气动力的双重作用之下,其中一些空气动力可以迫使飞机振动，而另一些可以减少振动。当大型飞机速度达到某一定的最高飞行速度后,扰动颤振部件中所引起的振幅正好一直持续保持一个恒定速度不变,这个新的飞行速度便会被我们称为大型飞机振动颤振机的飞行速度,振动部件引起的的频率又被我们称为大型飞机振动颤振机的振动引起频率。一旦大型客机扰动飞行速度略微达到高于或超过较大径向颤振产生扰动飞行速度临界的最大限值,即使偶然有较小径向颤振扰动也很有可能会直接产生引起大型民用飞机激烈的较大径向颤震振动,这就必然直接引起大型飞机径向颤振。

从机械数学飞机物理/航空飞机工程数学的两个不同角度上来讲,气动力的相互作用位移对应速度方向与整个机翼中立振幅作用力的相互位移作用对应速度方向完全互相同步(机翼振动相对的位差大约为0°)时,每次一个新的机翼中立振动点会恢复至一个机翼中立振动点的固定位置,气动力与整个机翼内部振动力的位移对应方向完全同步,整个机翼振动对应系统过程中的振动能量恒定。一旦我们发现物体两者之间的剧烈重力运动相位差为90°时,这时候的物体施加反向气动力就可以像是在天上荡秋千一样顺着物体施加反向振动力的各个方向迅速传递施加相互间的作用力,且顺着施加反向气动力的方向能量累积大小和整个物体内部结构上的振动形变也是与其能量大小成密度正比的,能量迅速双向传递累积,导致整个物体内部结构上的剧烈振动^[2]。

二.颤振的研究

颤振的研究目前主要集中在下述几个方面：

2.1非直流定向正常气流的动力特性分析。只有深入研究了飞机翼面周围的大气动力的直接变化,才能真正确定飞机翼面周围所处的大气环境和周围环境对飞机翼面的直接影响。这两个方面虽已逐步研究编制了一些行之有效的新型计算机应用程序,但仍然还有不少技术问题存在，需要进一步进行研究。

2.2模态数据分析。通过利用理论基础研究或者用实验分析确定一个结构的模态,然后以模态关系作为广义坐标系来分析确定结构的颤振(或称为动力力学特性)。在颤振结构分析中主要的颤振动力系数特性分析参量为颤振结构的固有颤动振型、固有频率、广义颤振质量、阻尼动力系数等。模态激振实验处理技术已经具有很大程度发展,广泛的被使用的方法有多点模态激振器的调力实验方法和传递函数的方法。

2.3采用气动弹性板的优化结构设计。它指的是在完全满足气动性能要求(主要来说是气动防震和颤振气动要求)的基本前提下,以不断寻求最小承载重量以及结构性能为设计目的的一种结构一体综合气动设计^[3]。这几个方面的研究问题主要包括初始结构寻优数学设计模型的优化,气动力学的计算,颤振强度方程式的求解,初始寻优设计结构状态的分析确定和多次不断反复的结构寻优设计过程。

三.作动器参数对方向舵旋转频率的影响分析

以旋转方向杆和方向舵的三个刚度参数为摇臂长度，摇臂刚度为制动器，方向舵为旋转变化刚度参数，计算旋转方向杆和方向舵的固有运动特性。计算结果如图所示。图中纵坐标函数ap的值是由该变量参数的计算结果得到的飞机方向舵高速旋转频率与其参考旋转状态下方向舵高速旋转频率的比值，用于准确描述该变量参数计算的实际效果。为了清楚起见，我们可以取图中Ap的一个对数，乘以20，用一个分贝(db)公式详细描述，作为纵坐标；横坐标中的Kn分别代表摇臂轴的长度、驱动装置的刚度、方向舵刚度的增加倍数

^[4]。

变
参对方向舵旋转频率的影响

从示意图中我们可以明显看出,方向制动舵旋转作动器上的摇臂旋转长度对方向制动舵摇臂旋转转动频率的刚度影响最大,其次的就是转向作动器摇臂刚度。由上一节的实例分析我们可以直接得到这样的分析结论:方向舵摇臂旋转转动频率越高，相对应的摇臂颤振转动速度越大;因此需要提高方向作业发动器的舵摇臂等效颤振长度,或者是说增加整个方向作动舵摇臂作业发动器摇臂刚度不仅是为了提高整个方向舵摇臂旋转转动频率,也可以说是提高整个方向作动舵摇臂颤振转动速度的一种有效途径。

四.结束语

综上所述，作动器参数对飞机操纵面颤振特性影响很大，根据实验结果可知，增加作动器刚度和摇臂长度是提高方向舵颤振速度的有效途径。

参考文献

[1]张妙恬,李德才.航空作动器主密封结构参数化分析[J].润滑与密封,2021,46(08):1-6.

[2]俱利锋,寇宝智.颤振飞行试验激励技术发展的回顾和展望[J].装备环境工程,2020,17(09):134-141.

[3]雷鸣,卢晓东,霍幸莉.飞机颤振试飞操纵面脉冲激励响应仿真方法研究[J].装备环境工程,2020,17(09):48-53.

[4]车啸龙. 飞机操纵系统伺服作动器—操纵面的设计与仿真[D].哈尔滨工程大学,2015.