基于光纤传感的襟翼操纵载荷试飞技术

黄勇

中国商用飞机有限责任公司 上海飞机设计研究院，上海 201210

为了提高飞机起降安全性，高升力装置在现代大型飞机设计中得以不断发展和广泛应用。在型号研制的初期阶段，一般通过借助计算流体力学(CFD)[1-8]或低速风洞测压试验数据[9-10]，并借助有限元求解或多体动力学仿真等方法，确定襟翼结构、运动机构及其操纵系统的设计载荷。襟翼构型、缝道参数、扰流板打开对襟翼气动流场影响非常复杂，目前的CFD及风洞试验技术还难以精确捕捉和模拟流场环境及分布载荷情况[11]。适航标准要求对类似气动操纵面的特殊装置，其受载情况必须由试验数据确定[12]。

当前，国内外飞机制造商一般通过在襟翼翼面进行打孔测压等方式，进行襟翼气动压力分布试飞验证[13]。襟翼打孔测压的试飞改装，需新设计和生产特殊的试飞襟翼试验件，满足测压孔布置、测压管路敷设及结构强度相关要求。特殊构型的打孔测压襟翼试验件具备研制成本高、周期长和机上测压管路改装复杂等特点。结构强度和改装空间等诸多限制，致使测压孔有限，单块翼面一般包含2～3 个测压剖面和40～50 个测压点。基于有限的测压数据和仿真结果，通过经验插值和面积积分方式，确定的翼面总体压力分布及操纵系统关键构件操纵载荷仍存在较大的不确定性。

光纤应变传感测量，具有灵敏度高、响应速度快、机上改装简单、分布式、重量轻、抗电磁干扰强等优点，可以实现折射率、应变、曲率和温度等参数的探测[14]。可以较好适应襟翼运动机构复杂的振动、温度及电磁工作环境[15]，开展飞行过程中的襟翼运动机构内力测定，进而完成襟翼翼面操纵系统驱动/约束载荷和翼面总载荷试飞测量与验证。

1 后缘襟翼运动机构

某型号后缘襟翼分为内襟翼及外襟翼，内、外襟翼分别通过2套运动机构连接到机翼盒段、机身框等结构。后缘襟翼运动机构采用的机构布置如图1所示，1号运动机构布置于内襟翼内侧，位于机翼根部整流罩内部。2～4号运动机构悬挂于机翼后梁及辅助梁之上，从翼根至翼尖分别布置2～4号运动机构。整流罩随动机构位于2～4号 整流罩内部。襟翼驱动支座安装在机翼盒段辅助梁及后梁上，通过襟翼操纵系统驱动和控制襟翼的角度及运动。

图1 某后缘襟翼机构布置

2 襟翼操纵载荷测量系统

2.1 实测技术方案

在襟翼卡位位置上和运动过程中，后缘襟翼翼面总载荷P，与滑轨约束力F和驱动连杆约束力R构成一组平衡力系。4套运动机构的传感器布置相似，以3#运动机构为例进行传感器布置及组网说明，如图2所示，在驱动连杆两个截面上布置8个应变传感器和1个温度传感器，襟翼滑轨布置2个应变传感器和1个 温度传感器。所有传感器串联组网，形成一个测试通道，确定一端为激光输入端即主测试端口，另一端为激光输出端即备用测试端口。

图2 后缘襟翼机构传力路径

通过测量试飞过程中驱动连杆的载荷应变，并扣除温度应变影响，确定襟翼摇臂作用于驱动连杆的载荷R。通过测量试飞过程中滑轨应变，并扣除温度应变影响，确定襟翼滑轮架作用于滑轨的载荷F。通过分别对内襟翼和外襟翼两套驱动机构，襟翼摇臂作用于驱动连杆的载荷R和襟翼滑轮架作用于滑轨的载荷F求和，即可获得内襟翼或外襟翼的总载荷P。襟翼摇臂作用于驱动连杆的载荷R，相对与操纵系统驱动点求矩，即为操纵系统所需克服的驱动/约束力矩T。

2.2 光纤传感测量系统

为了确保测量系统及其机上改装的高可靠性，采用预封装式布拉格光栅传感器(Fiber Brag Grating, FBG)[16]。其基本原理是将光纤特定位置纤芯，制成折射率周期分布的光栅区。将一宽带光源发出的光注入光纤后，特定波长(布拉格反射光)的光波在这个区域内将被反射，如图3所示。

反射光中心波长信号跟光栅周期和纤芯的有效折射率有关，即

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff为纤芯的有效折射率；Λ为布拉格光栅栅距；λB为反射光中心波长。

当光纤轴向受拉力时, 将使光纤产生拉伸应变, 其布拉格光栅栅距Λ亦相应改变, 从而导致反射光波长变化[17]。其波长改变量ΔλB与应变ε的关系为

图3 光纤布拉格光栅应变传感原理

ΔλB/λB=(1-Pe)ε

(2)

式中：ε为光栅应变；Pe为有效光弹系数，

(3)

式中：k为泊松比；P11和P12为光弹系数。因此应变与波长解调精度及光纤布拉格光栅栅距的关系为

ε=(1-Pe)·ΔλB/(2neff·Λ)

(4)

当布拉格光栅栅距Λ越小和激光波长解调仪越灵敏时，应变精度越高。某型号光纤布拉格光栅传感器的应变测量精度为1 με，温度测量精度为0.1 ℃。

根据测量点空间位置，将多个具有不同栅距的布拉格光栅按照不同的间隔，定制在同一根光纤上。光栅栅距需根据测量应变值范围定制，确保其反射光谱波长范围互不重叠，以实现对待测结构的准分布式测量[18]。光纤传感测量系统如图4所示。

图4 光纤传感测量系统

4个运动机构分别采用一根测试光纤，降低测试光纤机上敷设难度和提高测试系统可靠性。测试总线为一根8芯集成光缆，其中4根纤芯分别与4套运动机构测试光纤的激光输入端及反射光对接，另外一根纤芯分别与4套运动机构测试光纤的输出端对接，以用于输出光数据采集，作为数据备份。

2.3 测试系统校准

通过有限元仿真虚拟标定，将构件应变响应大、应力梯度小和无运动碰触位置，确定为应变测量点[19]。然后进行机构构件的温度-应变地面和载荷-应变标定试验，进而建立应变-载荷相关方程[20]，具体的地面校准试验流程如图5所示。

将完成应变传感器和温度传感器改装的试验件，放入地面高低温环境试验箱，开展温度-应变地面标定试验。温度变化值Δt与[εj]之间可以表示为多元线性回归方程形式：

ajΔt=εj

(5)

式中：j=1,2,…,n为应变传感器个数。通过计算，求解温度-应变的相关系数aj。

图5 地面校准试验流程

通过地面载荷应变标定试验，建立载荷应变相关方程。驱动连杆输出端承受任意方向力R，可以表示成图2中参考坐标系下的fix、fiy和fiz(可忽略相对小量)，fix、fiy和fiz分别驱动连杆输出端承受力R的x、y和z向分量，与应变εij之间可以表示为多元线性回归方程形式：

(6)

式中：m为地面标定试验工况数；n为应变传感器个数。通过矩阵运算，求解相关系数β。

对于不好拆卸，进行单独的载荷应变地面物理标定试验的襟翼滑轨，通过有限元方法，在滑轨位置xi施加垂向力fiy和侧向力fiz(可忽略相对小量)，与应变εij之间可以表示为多元线性回归方程形式：

(7)

应变响应传感器的优选，遵循应变响应大且线性度好的原则，剔除遵循应变响应小且线性度差的应变通道，以提高载荷识别精度[21]。某型号襟翼运动机构驱动连杆，应变-载荷相关方程的载荷识别误差如表1所示，Fx为驱动连杆输出端承受任意方向R洽驱动连杆绕驱动端旋转的切向载荷；Fy为R绕驱动端旋转径向载荷。载荷识别误差最大不超过0.77%，小于2%的一般载荷试飞校准误差要求。

表1 相关方程的应变载荷识别误差

3 试飞结果

在完成基于光纤传感的试飞测试系统改装和地面标定试验后，在特定飞行状态下(高度15 000 ft (1 ft=0.304 8 m)、飞行速度160 ktIAS～230 ktIAS(1 kt=1.852 km/h)、减速板打开)，开展了襟翼操纵载荷试飞测试验证。在试飞过程中，以起飞地面的应变和温度为零值，测量和记录了应变ε′ij和温度变化Δt(应变和温度作为零值)。采用式(8)消除温度应变影响，获得载荷作用下的应变值。

εij=ε′ij-Δtaj

(8)

然后，将驱动连杆对应的应变数据εij代入式(6)， 获得驱动连杆输出端承受任意方向力R。将襟翼滑轨对应的应变数据εij和通过翼面偏度及运动几何参数确定的xi，代入式(7)，获得襟翼滑轨承受滑轮架作用的任意方向力F。电阻应变与光纤光栅传感对3#襟翼驱动连杆驱动载荷P的识别结果对比如图6所示。

通过对比可以看出光纤光栅传感对3#襟翼驱动连杆驱动载荷峰值识别结果与电阻应变载荷峰值识别结果误差不大于5%。载荷识别结果的时间历程曲线形态及跟随性基本一致，表明光纤光栅传感的载荷识别结果有效性。

减速板角度对襟翼驱动连杆的驱动载荷具有直接的影响，打开相同的减速板角度，10°襟翼3#驱动连杆驱动载荷变化及其载荷峰值，大于19°襟翼3#驱动连杆驱动载荷变化及其载荷峰值。驱动连杆驱动载荷R相对于驱动点取矩即为襟翼翼面操纵系统驱动/约束载荷试飞，基于光纤应变的襟翼驱动连杆驱动载荷识别结果如表2所示。

通过对外襟翼2套驱动机构的驱动连杆的载荷R和襟翼滑轮架作用于滑轨的载荷F求和，获得外襟翼的总载荷P如表3所示。

图6 电阻应变与光纤传感载荷识别结果对比

表2 襟翼操纵载荷测量结果

注：( )内的值为相对误差。

表3 外襟翼总载荷测量结果

总体上来看，试飞实测结果验证了理论计算结果的合理保守性和可靠性。试飞实测结果表明，当襟翼10°时，加速板打开情况下的操纵载荷影响(最大增幅90%)大于襟翼20°的影响(最大增幅32%)。位于外襟翼上表面的减速板打开，不仅影响外襟翼3#和4#作动器操纵载荷，同时也影响内襟翼靠外的2#作动器操纵载荷(增幅约20%)。因此，相较于减速板关闭时的机翼构型，减速板打开情况下的襟翼作动器操纵载荷具有显著的增加量，必须谨慎分析相关影响。

4 结 论

通过对比，可以看出光纤光栅传感载荷识别结果与电阻应变载荷识别结果误差较小，满足工程精度需求。两者之间载荷识别结果的时间历程曲线基本一致，表明了光纤光栅传感载荷识别技术的有效性。光纤光栅传感技术，为某型号襟翼操纵载荷飞行试验提供了一种相较于打孔测压及电阻应变襟翼载荷试飞，更高精度和更低成本的技术途径和方法。其独特的灵敏度高、响应速度快、机上改装简单、分布式、重量轻、抗电磁干扰强等优点，对民用飞机后缘襟翼运动机构复杂的振动、温度及电磁工作环境具有很好的适应性。可以预见，在其他复杂受载环境的民用飞机运动机构载荷试飞测定和结构健康检查等领域，光纤光栅应变传感技术的应用前景广阔，值得深入探讨和分析研究。