一种基于四杆机构的民用飞机雷达罩运动机构设计

陈鲁峰，陆　丹

(上海飞机设计研究院 结构部，上海 201210)

一种基于四杆机构的民用飞机雷达罩运动机构设计

陈鲁峰，陆丹

(上海飞机设计研究院 结构部，上海 201210)

摘要：运动机构对民用飞机雷达罩在航线正常运行的维修性有非常重要的作用。对现役传统机型的雷达罩运动机构的结构形式进行了研究和分析，设计出一种基于“四杆机构+气弹簧”运动机构形式。将其与传统机型进行了对比，具有结构形式简单、操作方便等特点。

关键词：四杆机构；气弹簧；雷达罩运动机构

0引言

民用飞机雷达罩一般安装在飞机机头最前端，是构成机身的一部分。雷达罩除了作为结构件维持飞机气动外形外，同时作为气象雷达天线的电磁透波窗口，还要满足气象雷达天线对它的电性能要求，尽量降低对雷达电波的影响。此外，相对于军用飞机，作为投入航线运营的商用飞机，雷达罩的结构要满足飞机在外场对气象雷达的使用维护要求。因此，合适的雷达罩开启闭合机构在维护过程中尤为重要。

参考《飞机设计手册》[1]和工程经验，雷达罩运动机构的设计一般要满足以下要求：

(1)雷达罩能够绕机头前气密端框旋转运动，使得雷达罩能够打开特定角度；

(2)雷达罩打开角度需能满足外场检修雷达天线及其内部结构的要求；

(3)根部布置撑杆以保证雷达罩在完全打开角度时能够维持打开状态；

(4)撑杆应该有足够的刚度承受外场风载等地面载荷；

(5)不能影响前端框的气密线；

(6)不影响雷达的扫射区域。

1传统机型的运动机构形式

传统机型的雷达罩运动机构一般都采用“铰链+撑杆”的组合，A320飞机雷达罩运动机构如图1所示。其铰链机构为鹅颈结构，在前气密端框前上部布置铰链支座。撑杆为具有伸缩功能的支杆，并带有限位锁，能够保证雷达罩维持开启状态。操作时，外场机务人员需将雷达罩抬起至特定角度待限位锁自动锁定。关闭雷达罩时，需一人抬住雷达罩，一人松开限位锁，然后缓慢关闭雷达罩。

图1　A320飞机雷达罩运动机构

经过对比分析，大部分现役飞机的雷达罩运动机构都能基本上满足雷达罩正常的启闭和维护，但是也存在以下缺点：

(1)因铰链机构布置在非气密区，需在前气密端框外另布置铰链支座和结构，增加了结构复杂性；

(2)撑杆具有伸缩功能，但无法提供辅助力，外场维护人员开启时需用较大的力抬起雷达罩。

2四杆机构的运动原理

四杆机构是机构设计中最常用的一种形式。按照连架杆能否可以做整周转动，铰链四杆机构可以分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。由于受运动空间限制，雷达罩运动机构采用的四杆机构为双摇杆机构，即其中一个连杆固定作为机架，另两个连杆可绕固定点转动，如图2所示[2]。

图2　四杆机构原理图

结合雷达罩运动机构的特点，为了实现雷达罩打开时能够维持特定开启角度，需在雷达罩与飞机机头间布置撑杆，“四杆机构+雷达罩撑杆”的使用如图3所示。O1、O2和O3点固定在飞机上，其中O1是撑杆在飞机上的支撑点，O2和O3是四杆机构的固定点。A、B和C点在雷达罩上，分别绕3个固定点旋转，其中A、B两点是四杆机构中运动的点，杆O2A和杆O3B构成了四杆机构中旋转的两个杆。C点为撑杆在雷达罩上的支撑点，O1C表示了撑杆的运动和伸缩。G点表示雷达罩中心，其位置变化代表雷达罩的运动和关闭。

图3　四杆机构在雷达罩上的应用

3雷达罩铰链机构的设计

在某型民用飞机雷达罩设计中，运用了四杆机构，同时撑杆采用了气弹簧，在雷达罩打开的时候可以提供辅助支撑力，适当减小机务人员的操作力。如图4所示。

图4　四杆机构在某型飞机上的应用

雷达罩关闭时，撑杆初始长度762mm。在雷达罩运动过程中，当长度减至702mm时，气弹簧处于完全压缩状态。雷达罩开启到位时，气弹簧处于完全伸展状态，长度929mm。撑杆长度变化如图5所示。

图5　雷达罩开启角度的变化

雷达罩的开启过程可以简化描述为刚体的平面运动，因此，其应满足力矩平衡方程：

设定雷达罩重量46kg，雷达罩关闭时，手动开启施力点在雷达罩最下侧。根据力矩平衡方程，利用雷达罩开启关闭运动轨迹，从而得到手动操作力变化图，如图6所示。从图6中可以看出，操作力最大值出现在雷达罩完全打开时，F=140N。相比无辅助力的撑杆，完全打开时候操作力约为230N，减小约40%。

图6　操作力变化图

撑杆的支撑力随着开启角度的变化如图7所示。

图7　撑杆支撑力变化图

4雷达罩撑杆锁定机构的设计

为了方便机务人员操作时能够轻松的释放限位锁，在撑杆的根部设计了一个“按钮式”的机构，使用可转动的销轴将机构外壳与轴承端连接，形成一个以可转动销轴为轴心的力矩杠杆。

根据人机工程学有关分析，手操作轻型按钮允许的最大用力不超过5N，重型按钮最大作用力不超过30N[3]。考虑锁定外壳宽度32mm，最多允许两指按压，因此，手按压解锁力暂定为5N，如图8所示。

手指按压外壳从锁定状态到外壳上扬5.8°，压缩弹簧共向下压缩2.3mm。根据GB/T1239.6-92《圆柱螺旋弹簧设计计算》，选定中径D=6mm，簧丝直径d=0.8mm，弹簧圈数n=15,弹簧刚度p=1.25N/mm。

图8　锁定机构按钮设计

5与传统机构的对比

通过在某型号的雷达罩运动机构中采用“四杆机构+气弹簧”的设计，具有以下优点：

(1)在不影响气密线和不需增加多余结构的情况下，可以实现雷达罩顺利平滑地开启和关闭；

(2)由于撑杆采用了气弹簧，能够在雷达罩开启时提供辅助力，机务人员的操作力减小40%；

(3)气弹簧的阻尼效果可以使得雷达罩关闭时能够缓慢地闭合，避免意外发生；

(4)采用按钮式的撑杆锁定机构，操作简便。

6结语

通过“四杆机构+气弹簧”实现雷达罩运动，结构形式简单，方便安装。相比传统机型，具有更好的操作性和维护性。但是，在本文涉及机型的研制过程中，由于受总体输入条件的影响，撑杆在运动过程中长度先缩短后伸长，因此，开启过程不能设计成理想的无需操作力，仅在撑杆支撑力下就能打开的情况。尽管如此，本文的设计为以后雷达罩运动机构的设计提供了较好的思路和基础。

参考文献

[1] 《飞机设计手册》总编委员会.飞机设计手册:第10册-结构设计[M].北京:航空工业出版社,2000:292-293.

[2] 孙桓,陈作模.机械原理[M].6版.北京:高等教育出版社,2001:190-191.

[3] 胡萍.人机工程学在工程机械设计中的综合应用[J].机械制造,2009,47(1):56-58.

[责任编辑、校对：东艳]

A Mechanism for Civil Aircraft Rodame Based on Four-bar Linkage

CHENLu-feng,LUDan

(Structure Design Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210,China)

Abstract：Mechanism plays an important role for the maintainability of civil aircraft rodame during its service life.This paper researches and analyzes the conventional radome mechanisms,and a mechanism configuration based on "four-bar linkage + gas spring" is designed.Through the comparison with conventional configurations,the mechanism reveals advantages such as simplified structure,convenient operation,etc.

Key words：four-bar linkage;gas spring;radome mechanism

收稿日期：2016-03-10

作者简介：陈鲁峰(1986-)，男，山东阳谷人，工程师，主要从事飞机结构设计研究。

中图分类号：V214.2

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)03-0003-03