翼尖颤振数据异常分析

邢达波 李铁林

翼尖颤振数据异常分析

邢达波 李铁林

本文针对飞行试验中飞机左平尾翼尖颤振数据异常现象，从测试方法、颤振传感器、飞行数据及飞行状态等方面分析数据异常现象原因，通过地面试验对故障现象进行分析，并结合实际试飞数据确定了其发生原因。

颤振是弹性体在气流中发生的不稳定振动现象，其产生原理： 弹性结构在均匀气流中由于受到弹性力、惯性力和气动力的耦合作用，结构上的瞬时气动力与弹性位移之间有位相差，导致振动的结构可能从气流中吸取能量而扩大振幅，从而发生了振幅不衰减的自激振动。

颤振飞行试验是新机或有重大改型试验飞机都必须进行的试飞科目，是世界公认的Ⅰ类风险试飞科目。某试验飞机在飞行中发生了左翼尖颤振数据异常的情况，为确保大强度机体结构科目试飞的测试要求，本文对此故障做了较为详细的分析研究并采取了相应的解决方案。

颤振测试工作原理

颤振传感器工作原理

3741B型颤振传感器是压阻式振动传感器，是一种惯性式传感器， 通常采用梁岛结构，一般通过悬臂梁或连结梁支撑悬挂，通过离子注入或扩散工艺在梁上制作压敏电阻。

工作原理是：测量物体加速度是基于牛顿第二定律，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a = F/ m。当物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，带动支撑梁发生扭曲或弯曲等变形，即质量块和弹簧组成的惯性系统将加速度转换为质量块和外壳间的相对位移，也就是弹性元件的应变，再通过粘贴或扩散在弹性元件上的应变计将应变变换为电阻值的变化。把弹性元件上的四个或两个应变计接成惠斯登电桥形式，就可把加速度引起的应变计的电阻变化变换为电压或电流的变化，即可得出加速度值的大小。传感器结构见图1。

颤振测试原理

根据飞行试验课题要求，左右平尾翼尖颤振测试都选用3741B型颤振传感器，左平尾翼尖颤振传感器采集的电压信号经过BZL-2A调节器放大后一路信号给FES激励系统，另一路颤振电压信号进入差动电压采集卡，右平尾翼尖颤振传感器采集的颤振电压直接通过应变电桥采集卡测量。其测试原理框图如图2所示。

数据异常分析及解决方案

数据异常现象描述

飞机左平尾翼尖颤振数据异常现象表现为：在大速度飞行状态中，当FES系统工作时，左平尾翼尖颤振数据时而出现超量程的跳点，从而引起FES系统自动切断。

具体现象为：在性能品质、航电试飞课目中，试验飞机左右平尾翼尖颤振数据均正常。在颤振试飞科目中，当速度不大于800KM/H时，颤振数据正常，当速度超过800KM/H时且FES系统不工作时颤振数据正常，但当飞机速度超过800KM/H，并且FES系统工作时，左平尾翼尖颤振测试值会突然出现超量程的现象，导致FES系统自动切断，而右平尾翼尖颤振数据正常。左平尾翼尖异常数据如图3所示。

图1　压阻式加速度传感器典型结构

图2　左右翼尖颤振测试原理框图

图3　左平尾翼尖异常颤振数据

图4　配重加固后的左平尾翼尖颤振数据

数据异常现象分析与解决方法

针对上述现象，通过对飞机进行FES系统地面激励试验，但是颤振数据正常。飞机在试飞过程中，只有左平尾翼尖颤振数据出现问题，而右平尾翼尖颤振数据正常，并且左右翼尖都安装了相同型号的颤振传感器。在测试方法上，左平尾翼尖颤振传感器信号经过BZL-2A调

节器放大后再进入采集板卡，右平尾翼尖颤振传感器数据通过应变电桥采集卡直接采集。

针对此情况，首先对板卡、传感器或调节器等可能造成数据异常的设备进行分析，并通过大量地面试验发现故障并非是由上述原因引起的。

其次对压阻式传感器安装工艺进行分析，通过调节颤振传感器安装方式，发现飞行试验数据依然存在跳点。

最后对试验飞机颤振数据跳点问题出现的情况进行详细分析，发现导致数据异常的条件比较苛刻，是不是在某个特定的飞行状态时刻，平尾翼尖本身就产生了那么大的振动，而测试结果反映了真实的振动情况。

针对这一设想，通过地面试验最终发现左平尾翼尖里面的配重块不是一个整体，而是由前后两个铅块组成，前端配重块随着翼尖振动在里面晃动，在试验某个时刻达到共振时，地面数据监测发现数据会出现跳点。

解决方案：第一次采用螺母把两个配重块固定的方式，通过地面试验验证，数据没有出现跳点，但在实际颤振飞行中，偶尔还是会发生数据超量程而导致FES系统自动切断的情况。不过通过实际的飞行数据，发现左平尾翼尖颤振数据超量程的点明显减少，说明之前采取的方式还是有效的，具体如图4所示。

针对此情况，分析结果是两个配重铅块所采取的连接方式在大速度高强度的振动中，产生了轻微松动，而在地面试验中又没法复现实际的飞行状态，所以地面试验数据结果正常不能证明实际飞行数据也一定正常。

最后，采用一体成型的配重块替换原先的左平尾翼尖配重块，在接下来的颤振飞行试验过程中，数据正常，没有再发生自动切断FES激励系统的现象。

小结

关于翼尖配重块对颤振数据的影响，是试飞课题中首次发现，由于试验条件不够，本文只是定性地发现了其固定方式对飞行的影响，没能更深入地定量地去分析配重块固定方式对飞行的具体影响程度。本文主要是给从事科研试飞工程师提供一种参考，当以后遇到类似的问题，可以开拓一种思路，提高解决问题效率。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.014