飞机操纵钢索线系张力调整研究与分析

范军华，王帅邦，王 慧，刘贡平，赵 烨

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司 总装厂，西安 710089；2. 第一飞机设计研究院 飞行控制液压研究所，西安 710089)

飞行操纵系统是飞机的重要组成部分，是将飞行控制信号指令从驾驶员或飞控计算机传递到飞机末端操纵执行机构，带动飞机气动舵面偏转，从而实现对飞机的姿态、轨迹和航向的控制[1]。在飞机操纵系统设计中，钢索重量轻、敷设路径灵活等优点被广泛应用。随着电传操纵技术的发展，在飞机控制中大量采用了计算机、传感器、作动器等先进机载设备，通过闭环信号代替了传统的硬式拉杆+摇臂操纵，但为了保证在电传功能失效的情况下，飞机仍能安全飞行和平稳降落，钢索传动作为很多飞机备份操纵系统传动装置依然被广泛应用[2]。然而，钢索本身的拉伸易变特性和容易受环境温湿度影响的特点，使得钢索的安装、调整、维护成为了飞机制造和使用过程中的瓶颈问题[3]。本文针对一种飞机机械备份钢索线系张力测量过程中存在的问题开展分析和讨论，并提出相应解决方案。

1 飞机飞控机械备份系统组成

飞机飞控系统是在采用电传飞控的基础上，配有升降舵、副翼、方向舵等机械备份操纵系统，以确保电传飞控失效时飞机仍能够安全飞行和着陆。一种飞机机械备份系统主要包括驾驶舱操纵系统、钢索传动装置、作动器系统。钢索传动装置作为机械备份系统的重要组成部分，布置于驾驶舱、机身、机翼及尾翼等部位，主要包括滑轮、扇形轮、支架、钢索组件、张力补偿调节机构、摇臂等。

张力补偿调节机构的张力调节过程为：当系统温度升高时，机体结构伸长量大于钢索，两者相对变形导致钢索张紧，系统张力增加，张力补偿调节机构中弹簧压缩，促使扇形轮向着放松钢索的方向运动；当系统温度降低时，机体结构收缩量大于钢索，两者相对变形导致钢索放松，系统张力减小，张力补偿调节机构中弹簧伸长，促使扇形轮向着张紧钢索的方向运动。

2 钢索装置张力调节不足的原因

在设计飞机机体结构和操纵系统时，飞机机体结构主要材料采用铝合金，热膨胀系数为2.3×10-5/℃，钢索主要材料采用钢丝，热膨胀系数为1.1×10-5/℃，操纵系统的钢索通过导向滑轮、导向板等传动装置布置于机体结构上[4-5]。热膨胀系数的不同，必然会导致飞机机体结构和钢索在不同在温度变化时产生相对变形量，从而引起操纵钢索张力变化，进一步对飞机操稳性产生影响[6]。为了补偿因温度变化而产生的钢索张力变化，机械备份钢索传动线系中设计有张力补偿调节机构。

张力补偿调节机构主要由支架、扇形轮、摇臂、弹簧、十字连杆机构等组成，张力补偿调节基本结构如图1所示。

在该型飞机装配调整过程中，飞机操纵系统钢索的张力按照给定公式计算。在钢索传动装置中，带张力补偿调节机构部分的钢索张力按照公式(1)预加：

T=(kt+b)±5

(1)

其中：k为张力调节机构温度补偿系数；T为副翼通道带张力补偿调节机构部分的钢索张力;b为副翼张力补偿调节机构出厂时的截距；t为环境温度。

针对弹簧的出厂差异和作用，张力补偿调节机构出厂前需要通过试验台测量并计算出每个产品的截距b值，用于装机后系统钢索线系张力的测量和计算。对于产品截距b的获取，是设定环境温度为20 ℃时，在试验台上通过调整钢索回路张力，使张力补偿调节机构中弹簧压缩指示位置与十字连接机构中弹簧支杆上的20 ℃的刻线位置一致，再按照两个极限使用环境t=-55 ℃和t=70 ℃时测试，然后采用传感器测得两个测试环境下的8组张力值，求平均值得出产品出厂时的截距值bi(i=1,2,…,8)。其计算按公式(2)：

(2)

其中，n=8为实验次数。

对于张力调节机构温度补偿系数k值，与产品所安装的钢丝线系的长度有关。在长度一定的情况下，其确定的方法按照公式(3)计算得出，在不同温度下ti(i=1,2,…,m)测得所有张力Ti(i=1,2,…,m)数据，共测m次(为了保证数据的准确性，m≥20)，计算出温度变化Δtj(1,2,…,m-1)时张力的变化值ΔTj(j=1,2,…,m-1)，再计算出系数k：

(3)

其中:ΔTj=Ti+1-Ti;Δtj=ti+1-ti。

结合上述机理分析，导致操纵钢索系统张力变化不满足技术指标主要因素存在以下四个方面。

2.1 张力补偿调节机构弹簧弹力不稳定

基于飞机操纵系统钢索张力调节机构工作原理，以该型机副翼系统钢索张力补偿调节机构为例，经过实际测试试验，当飞机温度从初始装配温度20 ℃升高到70 ℃时，钢索的张紧量为9.05 mm，从初始装配温度20 ℃下降到-55 ℃时，钢索的放松量为13.57 mm，张力补偿调节机构可以对上述相对变形量补偿，稳定钢索张力。因此，张力补偿调节机构在装机前和使用过程中弹簧始终长期处于压缩状态，可能存在弹簧长时间压缩后弹簧弹力不足，导致张力补偿调节机构的补偿能力降低，使得产品的当前实际截距b与出厂时存在较大差异，影响系统钢索张力的设计计算值的准确性。

为查清弹簧弹力是否稳定，通过实验室复测3台返修的张力补偿调节机构，出厂测试和返修测试b值对比如表1所示。

表1 出厂测试和返修测试b值对比

截距b值间接反映了弹簧的弹力，从表中数据可知，同一台产品的弹簧未更改，在使用过一定时间后，b值相对稳定，实际最大变化5.91 N，未超出产品最初设计的允差±23 N的要求，同时，b值也在该产品的有效值136.4～180.3 N内。因此可以排除因弹簧弹力不稳定导致系统钢索张力不足的可能。由此推定，张力补偿调节机构出厂时功能、性能等均合格，使用过一段时间后复测结果依然合格，因此目前存在的系统钢索张力问题并不是张力补偿调节机构弹簧弹力不稳定造成的。

2.2 系统误差的影响

张力补偿调节机构在装机后，钢索张力调整的工艺方法主要是通过观察温度刻线位置来调整系统钢索张力，但在飞机上安装、调试时，张力补偿调节机构安装位置因结构限制，观察不到刻线或张力补偿调节机构的刻线精度不够，导致安装人员无法直接、有效的观察到张力补偿调节机构上所需的刻线位置。因此，可通过改用测量钢索张力的方法代替观察刻线的方法，但是经过测量，发现在同样张力下对应的刻度不同，因此需通过b值来标定每一台产品的张力值。

按照改进的方法对两架飞机的升降舵机械备份钢索传动装置进行机上调试和数据测量，用张力计在内测钢索和外侧钢索两处位置测量，升降舵通道钢索张力如表2所示(表中，前端在张力补偿调节机构附近)。

表2 升降舵通道钢索张力

表2中25 ℃环境温度张力补偿调节机构标定的b值为166.73 N，按照25 ℃环境温度计算出系统钢索张力要求值应为171.33±5 N。计算6组张力实测平均值为152.7 N，机上实测钢索张力值整体和b值计算出的要求值171.33 N相差18.63 N，存在差异的主要原因为产品误差较大，无法满足系统钢索张力要求的±5 N。

表2中20 ℃环境温度张力补偿调节机构标定的b值为163.28 N，按照20 ℃环境温度计算出系统钢索张力要求值应为169.68±5 N。计算6组张力实测平均值为170.2 N，机上实测钢索张力值整体和b值计算出的要求值169.68 N相差0.52 N，表明本次测量产品的张力值时的误差较小，按照刻线调整的钢索张力整体接近按照b值调整的张力，但仍存在部分张力值不满足系统公差要求。

对比两架机测量数据可以发现，测量的钢索张力平均值与要求值有可能出现较大误差也可能出现较小误差，当产品测量等误差超出了飞机装配、调试的系统公差要求时，就会引起系统钢索张力调整不到位的问题。

因此，机上钢索张力调整不到位的原因为：产品误差(从产品标定到测量张力的整个过程的误差总和)与系统公差不匹配。

2.3 检查方法不正确

在钢索调整好后，随着温度的变化，飞机机体和钢索将会随之发生热胀冷缩，飞控钢索的张力值也会发生变化。设计给出公式或曲线时，需考虑飞机机体对钢索张力的影响，或考虑飞机机体和钢索热胀冷缩变化量一致性对钢索张力的影响，对于飞机钢索系统，更应该考虑长期使用飞机钢索对钢索张力的影响[6]。综合分析，在环境温度发生变化时，不能只将要求值作为检查标准，正确的做法应该是当温度发生变化，采用当前温度计算的数据作为钢索调整维护的标准数据，对系统进行维护调整。

由上可知，把张力计算公式或温度调整曲线仅作为飞机使用过程中的检查标准的工艺方法是导致钢索张力不符合要求的原因之一。

2.4 设计要求不合理

所研究飞机是我国自主研发设计制造的大型飞机，体量和外形尺寸与国外空客A320、波音737相当。A320飞机的方向舵和水平安定面通道中，同样使用了机械备份操纵系统，系统中设置有张力调节装置。但A320飞机使用钢索张力是定值，调整参数为220±40 N，钢索调整时应用调制辅助工具并参照温度-指示位置调整曲线。调试辅助工具如图2所示，温度-指示位置调整图标如图3所示。

对比所研究飞机大跨度钢索线系特点和上述系统误差分析，现有的±5 N的调整公差要求不合理也是钢索张力无法满足要求的关键原因之一。同时2.2节中分析的张力补偿调节机构刻线位置装机后难以观察，增加了系统调整的难度，降低了调整的准确性。

3 主要解决方案

综上所述，导致飞机操纵钢索系统张力调整不足的原因主要是产品设计不合理、系统误差累积、检查方法不准确等综合因素，为此，主要改进措施如下。

3.1 改进系统公差

针对设计技术指标不合理，产品实际误差积累无法满足设计系统公差要求，经过系统计算，并参考国外成熟飞机设计指标，结合飞机数据积累，将系统公差修正放大到±20 N，解决机上张力调节不足的问题。需要注意的是将系统公差放大后，此时张力补偿调节机构的活动范围也较大，可能出现张力补偿调节机构处在张力补偿调节机构温度补偿的极限位置，造成在调试环境温度下钢索张力满足要求，但当环境温度发生变化时，张力补偿调节机构无法补偿温度变化引起的钢索和机体结构的相对变形量，即无法保证钢索张力的稳定。因此，在将系统公差范围增大的同时，还应检查张力补偿调节机构的补偿功能是否满足使用要求。

3.2 增加温度指示区域

根据张力补偿调节机构结构形式，测得张力补偿调节机构的可调节长度L为41～100 mm，张力补偿调节机构调节长度L位置示意如图4所示，经实验室测量测得对应的扇形轮上的钢索张力范围为136.4～180.3 N。

根据弹簧压缩量、刚度和极限位置，计算出张力补偿调节机构扇形轮处提供给钢索的张力最小值为136.4 N，钢索张力最大值为180.3 N(实验室验证)。即当钢索张力在136.4～180.3 N范围，张力补偿调节机构正常工作。当测量的钢索张力大于180.3 N时，则表明此时张力补偿调节机构已经运动到弹簧最大压缩状态，张力补偿调节机构丧失张力调节功能，但是不影响系统传递运动和力；当测量的钢索张力小于136.4 N时，则表明张力补偿调节机构既丧失了张力调节功能，又不能传递系统运动和力。

为方便机上检查张力，在张力补偿调节机构的调节范围内，通过计算将张力补偿调节机构的调节范围划分为三个区域，分别为低温区域(-55～-10 ℃)、常温区域(-10～30 ℃)和高温区域(30～70 ℃)，并将观察区域设置在张力补偿调节机构便于观察的位置处。张力补偿调节机构指示区域优化如图5所示。装机调整时，根据飞机调试环境温度，确定所属的温度区域，将该区域调整到指示位置内。例如：若当前调试温度为25 ℃，则钢索张力满足系统张力要求时，还需保证张力补偿调节机构的指示位置在常温区域(-10～30 ℃)内；若当前调试温度为-15 ℃，则钢索张力满足系统张力要求时，还需保证张力补偿调节机构的指示位置在低温区域(-55～-10 ℃)内。

3.3 工艺方法优化

按照改进后的产品，优化了钢索调整检查方法，改变原来利用钢索调整曲线或公式作为温度变化后检查依据的方案，并在原调试方法的基础上增加一道检查张力补偿调节机构是否卡滞的工序。

(1)对钢索张力满足系统要求的，弯曲两根钢索到相同的变形量后松开，观察张力补偿调节机构中扇形轮，若能继续运动，则张力补偿调节机构的位置检查结果合格；若扇形轮无法继续运动，则应将钢索张力降低后重复上述过程，直至钢索张力大小和扇形轮运动检查能够同时合格；

(2)对钢索张力不满足系统要求的，先按照地面维护手册将钢索张力调整到合格范围内，再弯曲两根钢索到相同的变形量后松开，观察张力补偿调节机构中扇形轮，若能继续运动，则张力补偿调节机构的位置检查结果合格；若扇形轮无法继续运动，则应将钢索张力降低后重复上述过程，直至钢索张力大小和扇形轮运动检查能够同时合格。

4 验证

对飞机升降舵机械备份钢索传动装置进行机上测量，将张力补偿调节机构分别调整到25 ℃刻线位置和20 ℃刻线位置时测得的钢索张力平均值为152.3 N和170.2 N，满足更改后的飞机系统钢索张力±20 N的要求，且张力补偿调节机构具备后续使用时温度补偿功能。

5 结论

飞控机械操纵系统是在飞控电传系统失效的紧急情况下使用的应急系统，对飞机及机上人员的安全至关重要。飞控机械操纵系统钢索张力传动元件设计不合理、传动产品制造质量问题以及钢索张力设计参数不合适等都将导致飞机装配过程的施工难度大及质量问题，从而影响飞机飞行安全。因此，在带有钢索系统和张力补偿调节机构的航空、航天和船舶等大尺寸产品的操纵系统中，应综合考虑本体结构材料、钢索长度、材料热膨胀特性、系统误差和调整方法等因素，确保类似机械操纵系统技术参数设计的准确性和安装、维护、调整方法的合理性。