引言

Cessna172飛機是美國塞斯納飛機公司生產(chǎn)的單發(fā)四座上單翼多用途飛機,是我國目前飛行訓(xùn)練的主力機種之一,使用頻率和強度非常高。在我國Cessna172飛機主要是作為初級教練機使用,而作為初級教練機使用的屬性,其必然會存在超限飛行、重著陸或其他偶發(fā)事件引起的過載現(xiàn)象,這些過載事件會導(dǎo)致機翼、機身、尾翼等機體結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生一定程度的永久變形,當(dāng)變形達到某一特定程度后,必定會明顯影響飛機的飛行性能和操縱性能,嚴(yán)重時甚至?xí)＜帮w行安全。此外,在Cessna172飛機重大結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)完成后,需對修復(fù)后飛機的機身、機翼、尾翼等重要結(jié)構(gòu)的形面變化或相對位置變化進行測量和控制,以保證飛機保持應(yīng)有的飛行性能和操縱性能。據(jù)了解,某飛行學(xué)院的Cessna172機群已普遍老齡化,部分飛機的飛行小時數(shù)超過18000h,而因巨大的飛行強度和超長的飛行時間,飛機防火墻、機翼隔框、機翼連接點、尾翼等關(guān)鍵部位可能會產(chǎn)生一定程度的變形。如何對進行飛機結(jié)構(gòu)檢修的飛機和老齡化飛機開展水平測量,以評估和控制飛機重要部位的變形情況,保證飛機應(yīng)有的飛行性能和操縱性能,已成為當(dāng)前該機群亟待解決的重要課題。

1國內(nèi)Cessna172飛機水平測量現(xiàn)狀

Cessna172飛機維護手冊(AMM)中沒有水平測量方法和標(biāo)準(zhǔn),美國塞斯納飛機公司或國內(nèi)外其他飛機使用單位也沒有評估和判斷Cessna172飛機結(jié)構(gòu)變形的科學(xué)有效的方法。對于在結(jié)構(gòu)大修和損傷修復(fù)時進行水平測量,可以采用傳統(tǒng)測量方法,也可以采用目前大型飛機水平測量所使用的常規(guī)水平測量方法和非常規(guī)水平測量方法。Cessna172飛機傳統(tǒng)測量方法是使用機翼千斤頂、機翼托架、氣泡水平儀將飛機頂平,再使用水平儀、卷尺等簡單的工具進行尺寸測量和目視觀察,以判定機身、機翼、安定面等結(jié)構(gòu)的變形情況,未建立一套科學(xué)、有效的水平測量技術(shù)體系,無法科學(xué)、客觀地制定損傷修復(fù)方案,無法準(zhǔn)確評估與控制飛行性能和操縱性能。

2測量系統(tǒng)說明

文獻對激光跟蹤儀的組成和功能進行了介紹,激光跟蹤儀具有高精度、遠程控制、自動目標(biāo)搜索和跟蹤的優(yōu)點。文獻指出了LeicaAT403型激光跟蹤儀應(yīng)用在Cessna172飛機水平測量中的具體方法,即利用海克斯康LeicaAT403型激光跟蹤儀搭配B-Probe進行測量數(shù)據(jù)采集,布置轉(zhuǎn)站點,利用Polyworks軟件將不同測量位置的測量點數(shù)據(jù)擬合在一個坐標(biāo)系里面,并完成測量數(shù)據(jù)的存儲、分析與處理。

首先選取合適的測量位置,利用激光跟蹤儀遠程控制、自動目標(biāo)搜索和跟蹤的特點,對飛機一側(cè)的測量點進行連續(xù)測量。然后布置轉(zhuǎn)站點,用反射球測量轉(zhuǎn)站點坐標(biāo),利用Polyworks軟件實現(xiàn)激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站,將左右測量點的數(shù)據(jù)都擬合在一個空間坐標(biāo)系中,完成飛機另一側(cè)各測量點的測量,測量界面如圖1所示。利用Polyworks軟件對各測量點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行處理、輸出,對測量數(shù)據(jù)進行后期處理,得到能直觀表現(xiàn)Cessna172飛機機翼、尾翼、機身等形面狀況的特征參數(shù),實現(xiàn)對Cessna172飛機結(jié)構(gòu)變形情況的準(zhǔn)確評估。

3Cessna172飛機水平測量方法

3.1測量坐標(biāo)系的選定

選取機身門框前后兩個隔框上的艙門固定點為測量基準(zhǔn)點,以前隔框處門框較鏈上的安裝螺釘頭(左點a,右點b,0'為ab中點)和后隔框門門上的固定螺釘頭(左點u,右點,,0為u,中點)為基準(zhǔn)點。X軸:以0為坐標(biāo)原點,00'沿機頭方向為X軸正向:y軸:以0為坐標(biāo)原點,0u為y軸正向,0,為y軸負向:Z軸:按右手定則建立Z軸,則以0為坐標(biāo)原點,垂直于X0y平面向上為Z軸正向,反之則為負向。坐標(biāo)系示意圖如圖2所示。

3.2測量點的選定

(1)為了準(zhǔn)確測量各形面的變形,有如下測量點選取原則:

1)具有代表性的機翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點:

2)具有代表性的尾翼翼肋與梁相交處的鉚釘中心點:

3)機身重要隔框具有代表性的鉚釘中心點:

4)為便于測量以減少誤差,機翼上選點均在機翼下表面,水平尾翼選點均在尾翼上表面。

(2)按照以上原則,總共選取23個測量點,如圖2所示。

1)機身測量點:在機身艙門前隔框、艙門后隔框、機身Fs228.68站位隔框和機身背鰭,共選取7個具有代表性的鉚釘作為測量點,分別記為a點、b點、c點、d點、u點、,點、p點。機身站位如圖3所示。

2)機翼測量點:選取左右機翼208.00Ws、100.00Ws站位處翼肋分別與機翼前后翼梁相交處的鉚釘作為測量點。左右機翼共8個測量點,分別為e點、f點、g點、h點、i點、j點、k點、l點。機翼站位如圖3所示。

圖2坐標(biāo)系和測量點示意圖

圖3Cessna172飛機站位

3)水平尾翼測量點: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量點。共4個測量點,分別為m點、n點、g點、r點。

4)垂直尾翼測量點:選取垂直尾翼前梁、后梁上部鉚釘作為測量點。共4個測量點,分別為s點、l點、s'點、l'點。

3.3水平測量數(shù)據(jù)采集

先在飛機一側(cè)完成12個測量點的測量數(shù)據(jù)采集工作。在對整機進行測量時,在飛機單側(cè)不能進行全部的數(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個測量點的測量數(shù)據(jù)采集工作。為了將兩側(cè)的測量數(shù)據(jù)在一個坐標(biāo)系中展現(xiàn),需要在兩側(cè)分別測量轉(zhuǎn)站點。使用Polyworks軟件,利用轉(zhuǎn)站點的坐標(biāo),將兩側(cè)的測量點坐標(biāo)數(shù)據(jù)擬合到一個空間坐標(biāo)系中。

3.4確定測量要素的特征參數(shù)

測量23個點得出它們的三維坐標(biāo),為直觀地表現(xiàn)Cessna172飛機結(jié)構(gòu)狀況,需要將點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為角度數(shù)據(jù)和對稱性數(shù)據(jù)。

3.4.1機翼安裝角

機翼安裝角是機翼翼根弦線與機身軸線之間的夾角。Cessna172飛機機翼內(nèi)側(cè)部分在機翼站位39.00ws至71.125ws處有結(jié)構(gòu)油箱,因此機翼內(nèi)側(cè)部分結(jié)構(gòu)強度很大,不會產(chǎn)生變形的情況。測量100.50ws處前后翼梁與翼肋交點的數(shù)據(jù),利用前后交點的Z軸和x軸坐標(biāo)按照下式計算的數(shù)據(jù),定義為Cessna172飛機左右機翼安裝角。

3.4.2機翼上反角

Cessna172飛機機翼安裝是從根部向外,有一個上翹的角度,這個上翹的角度就叫上反角。測量機翼前梁與100.50wS(翼中)、190.00wS(翼尖)翼肋交點的數(shù)據(jù),利用翼中和翼尖Z軸和y軸坐標(biāo)按照下式計算的數(shù)據(jù),定義為Cessna172飛機左右機翼上反角。

3.4.3垂尾安裝角

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

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。測量垂尾前梁與最上端尾翼隔框在左右兩側(cè)交點的坐標(biāo)數(shù)據(jù),測量Fs228.68隔框左右兩邊對應(yīng)的兩點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。對比計算這兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù),計算出垂尾傾斜角,用

3.4.5平尾安裝角

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

3.4.6平尾上反角

CCeena172飛機平尾安裝是從根部向外,有一個上翹的角度,這個上翹的角度就叫上反角。測量水平尾翼后梁與外側(cè)平尾隔框交點的坐標(biāo)數(shù)據(jù),按照下式計算得到平尾與機身y軸線之間的夾角。

3.4.7機翼和平尾的對稱性

機翼對稱性是對左右機翼在X、y、Z方向是否對稱、對稱是否改變的評估,測量左右機翼后梁與機翼外側(cè)翼肋的交點,對比左右兩點在三個方向的差值,得出機翼的對稱性。平尾對稱性是對左右水平尾翼在X、y、Z方向是否對稱、對稱是否改變的評估,測量左右水平尾翼后梁與外側(cè)隔框的交點,對比左右兩點在三個方向的差值,得出平尾的對稱性。

(1)機翼對稱性:用│Xh-Xg│、│yh-yg│、│Zh-Zg│表征:

(2)水平尾翼對稱性:用│Xr-Xg│、│yr-yg│、│Zr-Zg│表征。

3.4.8機翼的變形

(1)機翼的彎曲變形:機翼的彎曲變形是對機翼在

y軸方向是否存在形變、形變程度的評估,將機翼前后梁與機翼外側(cè)翼肋交點的Z軸數(shù)據(jù)去平均數(shù)來表征機翼的彎曲變形情況。

1)左機翼:用(Ze+Zg)/2表征:

2)右機翼:用(Zf+Zh)/2表征。

(2)機翼的扭曲變形:機翼的扭曲變形是對機翼是否存在扭轉(zhuǎn)形變的評估。利用機翼前后梁與機翼l00.50ws翼肋的交點坐標(biāo),以及機翼前后梁與機翼外側(cè)翼肋的交點坐標(biāo),計算100.50ws機翼弦線和翼尖機翼弦線與X軸的角度,再計算它們的差值,得到機翼的扭曲變形情況。

3.4.9機身的變形

(l)機身的彎曲變形:機身的彎曲變形是對飛機分別在Z軸方向和y軸方向變形情況的評估。即計算Fs228.68左右對稱的兩點在Z軸方向的平均數(shù),來表征機身在X0Z平面的形變數(shù)據(jù):計算Fs228.68左右對稱的兩點在y軸方向的平均數(shù),來表征機身在X0y平面的形變數(shù)據(jù)。

(2)機身的扭曲變形:機身的扭曲變形是對機身是否存在扭轉(zhuǎn)形變的評估。利用Fs228.68左右對稱的兩點的坐標(biāo),計算其連線與X0y平面的夾角得出機身的扭

曲變形情況,用表征。

3.5Cessna172飛機水平測量數(shù)據(jù)處理

在Polyworke軟件中對測量數(shù)據(jù)的輸出格式進行調(diào)整,使其輸出數(shù)據(jù)更加簡潔。為方便將Polyworke軟件輸出的大量測量點坐標(biāo)數(shù)據(jù)樣本計算為能直觀表現(xiàn)飛機狀態(tài)的特征參數(shù),將3.4中的特征參數(shù)計算公式編寫成一款專用計算軟件,計算軟件界面如圖4所示。將測量點坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入該計算軟件,得出所需的表征飛機狀態(tài)的特征參數(shù)。

4結(jié)語

應(yīng)用驗證得知,該CCeena172飛機水平測量方案具有更高的測量精度,比傳統(tǒng)測量方法更科學(xué)、有效,并能節(jié)約50%的時間,在對CCeena172飛機進行重大結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)和老齡飛機的機體形面變形情況的判定時具有重要作用,可以有效保證飛機應(yīng)有的飛行性能和操縱性能,對保障Cessna172機群飛行安全具有重要意義。此外,本研究成果可為開展其他機型水平測量技術(shù)研究提供理論借鑒。