基于应变法的非常规细长拉杆飞行载荷实测技术

李志蕊，吴 波，高腾龙

(中国飞行试验研究院飞机所，陕西西安710089)

0 引言

飞行载荷实测是验证飞机结构完整性、完成新机定型必须进行的试验项目。飞机载荷测量主要方法有：应变法、压力法及其他成熟的方法，还可以使用加速度计、热测试设备及外挂外载荷测试。压力测量法不方便实施且耗费较高，通常采用应变电桥测量法来测量飞行载荷[1]。应变法主要思想是通过地面校准试验来建立应变电桥与加载载荷之间的对应关系(即载荷模型)，飞行中将实测应变代入载荷模型，即可得到飞行实测载荷。

飞机操纵舵面铰链力矩测量是飞机飞行载荷测量的一部分，飞机操纵舵面铰链力矩是舵面气动性能的重要参数，可以通过理论计算和风洞试验的方法获得。由于舵面位于安定面后缘，气动力复杂，受到的影响因素较多，难以计算准确；另一方面，风洞试验中由于试验流场难以模拟真实流场而导致模型难以完全模拟实物。因此飞行载荷实测操纵舵面铰链力矩变得非常重要[2-3]。目前针对铰链力矩的测量主要采用间接法[4-5]。首先通过在飞机操纵舵面传力件上粘贴应变计电桥，通过脱机校准建立应变计电桥与校准载荷之间的关系(即载荷模型)，将飞行实测应变代入载荷模型测得传力件载荷，再通过传力件与舵面铰链轴之间的几何关系，推导得出操纵舵面铰链力矩。

本文以某型飞机操纵舵面舵机拉杆为例，详述应变法进行非常规细长拉杆飞行载荷实测技术。

1 舵面结构分析

图1 飞机舵面结构

某飞机活动舵面机构主要由舵机、舵机拉杆和传动接头等部件组成，如图1，舵机拉杆为主要传力件。飞行时，拉杆沿轴向运动带动舵机，从而引起舵面的上下偏转。

2 应变电桥改装

通过结构分析可知，飞行中该拉杆主要承受轴向拉压载荷，要测得拉杆拉压载荷，需要在拉杆上粘贴垂直组合应变计。常规等截面细长拉杆一般在拉杆中间对称粘贴应变计，对侧组桥即可。该机拉杆属于非常规细长拉杆，结构如图2。拉杆结构左右对称，由螺纹杆、耳环套筒(内含螺纹)、连接螺栓等组成，其中螺纹杆直径6 mm，套筒直径14 mm，图中标出了套筒内部螺纹区域。

图2 拉杆结构及应变计位置示意图

该拉杆结构中间螺纹杆不适合粘贴应变计；耳环套筒螺纹段与螺纹杆相对位置不固定，受载时套筒传力路径不固定。此外，受尺寸和结构限制，5号、6号点受尺寸限制，无法进行应变电桥改装工作。因此，适合粘贴应变片的位置为1号—4号点，其中1号和2号点位于套筒实心区域，位置对称，3号和4号点分别位于腹板的正面与反面，位置对称。

图3 载荷校准试验

应变改装中，在1号和2号粘贴应变计电桥组全桥，记为电桥①。3号和4号点粘贴应变计电桥，记为电桥②。应变计电桥改装采用的是90°垂直应变计，每组内含有2个方向互成90°的应变计，两组应变计组成1个惠斯通全桥。应变改装时采用对侧组桥的方法，可有效消除其他载荷和温度的影响，并增大应变计响应的输出量级[6]。

3 地面校准试验

地面校准试验时，将加装了应变计电桥的拉杆采用专门研制的约束装置安装在拉压试验机上进行载荷校准试验(图4)，试验分拉向加载和压向加载两种，校准载荷沿拉杆轴向施加。每种校准载荷施加两次，从0开始，分十级施加到最大校准载荷(本次试验，拉向最大校准载荷为800 N，压向最大校准载荷-800 N)，然后分十级卸载到0，试验中同时记录应变电桥响应和校准载荷。

图4为载荷校准试验过程中应变电桥①随加载载荷的变化曲线。图5为载荷校准试验过程中应变电桥②随加载载荷的变化曲线。

图4 电桥①加载载荷-应变响应关系

图5 电桥②加载载荷-应变响应关系

从图4可以看出，在载荷校准试验中，电桥①的响应随拉向和压向校准载荷都呈现出良好的线性相关性。从图5可以看出，电桥②在拉向载荷校准中，呈现较差的线性相关性；在压向载荷校准试验中，线性相关性较好。

为更好说明电桥响应，给出量化考核结果。典型的用于评定应变计电桥载荷校准结果好坏的手段是响应系数。该系数定义为[7]：

(1)

式中：ε为应变计电桥输出，单位με；F为施加校准载荷，单位N；η为电桥响应系数，单位με/N。

同时，试验数据的线性相关性用线性相关系数R大小来判断，该值在-1～1范围内。当|R|越接近1线性质量越好。线性相关系数R的计算公式为：

(2)

通过线性拟合得到两个电桥的响应系数和线性相关性如表1。

表1 线性拟合结果

从表1拟合数据可看出，电桥①对拉向载荷和压向载荷的响应都很灵敏，且响应系数相当；拉向和压向数据合并进行拟合时，相关系数为0.9998，满足测载要求，拟合曲线如图5(c)所示。由此可知，电桥①对拉向加载和压向加载响应情况一致，在有限的试验条件下，只进行单向加载试验，即可满足测载要求。

电桥②在拉向载荷校准试验中，响应灵敏但线性相关性较差；在压向载荷校准试验中，响应灵敏且线性相关性较好。分析原因，是在拉向加载时，载荷主要从两侧缘条传向套筒，由于该处距离螺栓较近，受应力集中影响，电桥②位置受载不均匀，故响应灵敏但线性较差；压向加载中，载荷主要经耳片穿向套筒，故②电桥响应很灵敏，但受一定的应力集中影响，所以线性略差。

由此可知，1号和2号点改装为该非常规细长拉杆载荷测量的最佳应变计电桥改装位置，并可推算出该拉杆拉压载荷方程为：

Ff=4.329*ε

(3)

式中：Ff为拉杆飞行实测载荷，εf为拉杆飞行实测应变。

4 飞行实测结果

飞行中，将测得的拉杆飞行实测应变代入式(3)，可得到拉杆实测载荷。再引入拉杆与舵面间距离，即可得到舵面铰链力矩。本文仅以拉杆载荷为例进行说明。图6为某机动过程中，该拉杆载荷的时间历程变化曲线。

图6 飞行载荷实测

图中可以看出，机动过程中，该拉杆受到明显的拉压载荷作用，通过舵机作用，引起舵面上偏和下偏，与实际飞行情况一致。

5 结论

1)本文提供的基于应变法的飞行载荷实测技术可有效用于舵面拉杆的飞行载荷测量；

2)该类型的非常规细长拉杆，应变电桥改装位置的选择非常重要，如果选择合适的应变电桥改装位置，能保障拉向和压向受载规律一致，在条件限制时可只进行单向的载荷校准试验。