CN105021156A - 一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机地面试验领域，特别是涉及一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法。其方法是：在处于中立保持位置的方向舵上固定一个倾角传感器，使其中一个测量轴位于水平面内并平行于机身轴线，利用舵面加载设备分别对方向舵进行正、反向加载，根据传感器对应测量轴的输出结果，解算测量点相对舵面转轴的转角，绘制正、反向加载的转角-载荷曲线后，对曲线线性段进行拟合，拟合曲线延长线在纵坐标上的截距差即为方向舵的转动间隙。本发明可实现倾斜方向舵转动间隙的低成本、高精度测量，并可极大地降低方向舵转动间隙测量劳动强度。

Description

一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法

技术领域

本发明创造属于飞机舵面转动间隙测量领域，特别是涉及一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法。

背景技术

由于飞机的零件制造和部件装配中都会存在误差，积累后在舵面上产生转动间隙，当转动间隙超标后，不仅会影响飞机的控制精度和飞行品质，严重时还会诱发颤振，引起灾难性后果，因此飞机研制过程中必须严格控制舵面的转动间隙。按国军标要求，飞机的外侧副翼、全动垂尾(或鸭翼)的转动间隙分别应不超过0.13°和0.034°，在测量舵面转动间隙时，对外侧副翼、全动垂尾(或鸭翼)的转动间隙测量精度分别应达到0.01°和0.001°量级。

与普通的水平机翼和垂直尾翼不同的是，倾斜方向舵采用具有空间角度的转轴，其转轴既不垂直于水平面又不垂直于铅垂面，这种特点使得精确测量倾斜方向舵的微小转角进而获取转动间隙的大小变得极为困难。

以往在测量倾斜方向舵转动间隙时，获取微小转角主要有两种途径：采用基于陀螺原理的三轴倾角仪直接测量，或者利用位移传感器测量线性位移后折算。基于陀螺原理的三轴倾角仪的优点是可直接获取角度，传感器在舵面上的安装位置不受限制，但由于陀螺存在固有漂移，难以实现高精度角度测量，且测量设备的集成制造成本高昂；采用线位移传感器则安装不便，对传感器安装位置和安装基准有很高的要求。为了克服这些缺点，有必要探索一种新的测量方法，快速的实现对倾斜方向舵微小转角的精确测量，从而实现倾斜方向舵转动间隙的高精度测量。

发明内容

本发明的目的是：本发明创造的目的是提供一种易操作的、低成本的倾斜方向舵转动间隙的高精度测量方法。

本发明的技术方案是：一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法，其技术方案是，采用本发明测量倾斜方向舵的转动间隙的步骤为：

a、调节飞机水平，使机翼位于水平面内，将倾斜方向舵锁定于中立位置；

b、将双轴倾角传感器贴在倾斜方向舵的外表面，并使双轴倾角传感器的x测量轴平行于机身轴线,y测量轴在倾斜方向舵的弦平面内，将x测量轴测量通道置零；

c、用第一钢丝绳、第二钢丝绳连接舵面卡板、舵面加载设备和测力传感器，使加载方向与倾斜垂尾的弦平面保持垂直；

d、调节舵面加载设备，对倾斜方向舵反向加载，记录反向加载载荷P_n和双轴倾角传感器的x测量轴输出值θ_n；

e、拆除第一钢丝绳、第二钢丝绳，用第三钢丝绳、第四钢丝绳连接舵面卡板、舵面加载设备和测力传感器，使加载方向与倾斜垂尾的弦平面保持垂直；

f、调节舵面加载设备，对倾斜方向舵进行正向加载，记录正向加载载荷P_n和双轴倾角传感器的x测量轴输出值θ_n；

g、解算倾斜方向舵微小转角δ_n,舵面转角δ_n与传感器测量值θ_n之间的解算关系为其中α为方向舵的外倾角，β为方向舵转轴的后掠角，ψ＝arctan(cotα·sinβ)；

h、绘制δ-P曲线，选择曲线线性段的数据P_n和δ_n后，求解正、反向加载曲线的拟合直线方程δ₊＝k₊·P+δ_+,0和δ_-＝k_-·P+δ_-,0；

i、得到倾斜方向舵转动间隙：Δδ＝δ₊,₀-δ_-,0。

所述的双轴倾角传感器为角度测量精度达到0.001°的重力敏感型双轴倾角传感器。

所述的步骤b中，当x测量轴输出值在0±0.02°范围内时，认为双轴倾角传感器的x测量轴与机身轴线平行。

所述的倾斜方向舵转动间隙测量方法已用于某倾斜垂尾无人机的方向舵转动间隙测量，其拟合精度优于0.001°，操作简便，劳动强度低。

下面对本发明的原理进行详细说明:

定义本发明涉及到的两个坐标系如下：坐标系Oxyz，Ox轴沿机身轴线方向、逆航向为正，Oz轴为铅垂方向、向上为正，Oy轴与Ox轴和Oz轴构成右手系，Oxy平面即为当地水平面；坐标系Ox₁y₁z₁，Oz₁轴沿舵面转轴方向，向上为正；Ox₁轴在方向舵弦平面内，逆航向为正；Oy₁轴与Ox₁轴和Oz₁轴构成右手系。

坐标系Oxyz绕Ox轴旋转α角度后，再绕Oy₁轴旋转β角度，再沿Ox₁z₁平移|OO₁|即可得坐标系Ox₁y₁z₁，其中α为舵面转轴的外倾角，β为舵面转轴的后掠角。

在舵面锁定于中立位置(即方向舵偏度为0°的位置)时，将传感器安装于被测舵面上N点位置，使传感器的任意一个测量轴(假定为y测量轴)在Oxy平面内与ON轴平行，如图2所示。对y测量轴置零，则舵面未加载时ON轴在水平面内，测量轴与水平面的夹角为0。对舵面加载后，由于舵面变形，测量点N相对舵面转轴转动角度δ后，ON转到ON₁位置，传感器y测量轴输出的角度值θ即为ON₁轴与水平面的夹角。在测量过程中，δ与θ为一一对应关系，因此获取ON₁轴与水平面的夹角θ后，可以根据二者之间的映射关系，得到测量点N相对舵面转轴的转动角度δ。

令O₁N＝L，根据几何关系可以得到：

|OO₁|＝O₁N＝L·tanβ   (1-1)

传感器y测量轴的输出值θ应为：

sinθ＝ΔH/L   (1-2)

当向左倾的舵面后缘右偏或者向右倾舵面的后缘左偏时θ为负，反之θ为正。

在O₁x₁y₁坐标系中，N和N₁坐标分别为 ${\left[\begin{array}{ccc}L& 0& 0\end{array}\right]}^T,$ ${\left[\begin{array}{ccc}L\cos \mathrm{\δ}& L\sin \mathrm{\δ}& 0\end{array}\right]}^T,$ 根据坐标旋转及平移原理，这两点在Oxy坐标中描述为：

${\left[\begin{array}{ccc}{X}_1& Y_1& Z_1\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{c}L\·\cos \mathrm{\β}+L\·\sin \tan \mathrm{\β}\\ L\·\sin \mathrm{\α\β}\sin -L\·\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ 0\end{array}\right]---(1-3)$

${\left[\begin{array}{ccc}{X}_2& Y_2& Z_2\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{c}L\·\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\δ}+L\·\sin \tan \mathrm{\β}\\ L\·\sin \mathrm{\α\β}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\δ}+L\·\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}-L\·\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ -L\·\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\δ}+L\·\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\δ}+L\·\cos \mathrm{\α}\mathrm{sin\β}\end{array}\right]---(1-4)$

则N与N₁在Oxyz坐标系中的高度差为：

ΔH＝Z₂-Z₁＝L·(cosαsinβ-cosαsinβcosδ+sinαsinδ)   (1-5)

由式(1-3)和式(1-6)可以得到：

sinθ＝cosαsinβ-cosαsinβcosδ+sinαsinδ   (1-6)

简化得到：

$\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}-\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β}}\·\sin (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\δ})---(1-7)$

其中ψ＝arctan(cotα·sinβ)。

在倾斜方向舵的偏转范围内，倾斜方向舵的偏转角度δ与双轴倾角传感器对应测量轴的输出角度θ为一一对应关系：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{\ψ}-\arcsin \left(\frac{\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}-\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\α}{\sin }^2\mathrm{\β}}}\right)---(1-8)$

对倾斜方向舵进行正、反向加载，分别获取n组正、反向加载载荷P_n及传感器对应测量轴的输出值θ_n后，根据式(1-8)解算舵面测量点转角δ_n，绘制δ-P曲线，对曲线的线性段拟合得到直线方程：

δ₊＝k₊·P+δ_+,0   (1-9)

δ_-＝k_-·P+δ_-,0(1-10)

其中，下标“+”表示正向加载，“-”表示反向加载。

则倾斜方向舵的转动间隙为：

Δδ＝δ₊,₀-δ_-,0   (1-11)

本发明的优点是：

测量精度高。本发明选用高精度重力敏感型双轴倾角仪，角精度0.001°，拟合得到的转动间隙值精度优于0.001°，测量精度高。同时，采用的双轴倾角仪利用重力始终指向地心的原理，输出值总是与当地水平面的夹角，不存在陀螺型倾角仪所固有的漂移特性，抗干扰能力强。

操作简单，劳动强度低。按本发明完成倾斜方向舵转动间隙测量，仅需一个高精度重力敏感型双轴倾角仪和一套简易的舵面加载设备，传感器的安装位置不受限制，并且测量数据直接显示数值，读数方面快捷，转换后即可得到舵面微小变形产生的转角，对舵面转角线性段数据拟合后即可得到舵面转动间隙，其测量操作简单，可有效降低劳动强度。

附图说明

图1是某翼尖倾斜垂尾飞行器的倾斜方向舵转动间隙测量时的反向加载示意图；

图2是某翼尖倾斜垂尾飞行器的倾斜方向舵转动间隙测量时的正向加载示意图；

图3是倾斜垂尾的A向视图；

图4是倾斜方向舵转角与测量角之间的几何关系图；

图5是舵面转动间隙的解算原理示意图。

图6是某翼尖倾斜垂尾飞行器的倾斜方向舵转动间隙测量得到的δ-P曲线图。

图7是拟合后的δ-P曲线图。

其中，1为双轴倾角传感器，2为舵面卡板，3为舵面加载设备，41为第一钢丝绳，42第二钢丝绳，43为第三钢丝绳，44为第四钢丝绳，5为测力传感器，6为机翼，7为倾斜垂尾，8为倾斜方向舵，9为倾斜方向舵的转轴。α为倾斜垂尾的外倾角，β为方向舵转轴的后掠角，δ为舵面受载后测量点N相对于方向舵转轴的转角，θ为舵面受载后测量轴与当地水平面的夹角。

具体实施方式

以采用本发明进行某飞行器倾斜方向舵的转动间隙测量为例，其测量操作步骤为：

a、调节飞机水平，使机翼6位于水平面内，将倾斜方向舵8锁定于中立位置；

b、将双轴倾角传感器1贴在倾斜方向舵8的外表面，并使双轴倾角传感器1的x测量轴平行于机身轴线,y测量轴在倾斜方向舵8的弦平面内，将x测量轴测量通道置零；

c、参阅附图1，用第一钢丝绳41、第二钢丝绳42连接舵面卡板2、舵面加载设备3和测力传感器5，使加载方向与倾斜垂尾7的弦平面保持垂直；

d、调节舵面加载设备3，对倾斜方向舵8进行反向加载，记录10组载荷数据P_n(单位：kg)和双轴倾角传感器1的x测量轴输出值θ_n(单位：°)，见表1所示；

e、参阅附图2，拆除第一钢丝绳41、第二钢丝绳42，用第三钢丝绳43、第四钢丝绳44连接舵面卡板2、舵面加载设备3和测力传感器5，使加载方向与倾斜垂尾7的弦平面保持垂直；

f、调节舵面加载设备3，对倾斜方向舵8进行正向加载，记录10组载荷数据P_n(单位：kg)和双轴倾角传感器1的x测量轴输出值θ_n(单位：°)，见表1所示；

g、参阅附图3、附图4和附图5，按式(1-8)解算正、反加载状态下倾斜方向舵的微小转角δ_n，见表2所示；

h、绘制δ-P曲线(见图5)，剔除非线性段的数据后，利用线性段数据P_n和δ_n(n＝3～10)绘制拟合直线(见图6和7)；

正向加载曲线的拟合直线方程为：

δ₊＝0.005538P+0.031

反向加载曲线的拟合直线方程为：

δ_-＝0.005409·P-0.028

i、倾斜方向舵8的转动间隙为：Δδ＝0.031-0.028＝0.059°。

表1某倾斜方向舵转动间隙测量时的加载载荷及倾角传感器读数

表2倾角传感器读数及转换得到的舵面转角

Claims (3)

1.一种倾斜方向舵的转动间隙测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、调节飞机水平，使机翼(6)位于水平面内，将倾斜方向舵(8)锁定于中立位置；

b、将双轴倾角传感器(1)贴在倾斜方向舵(8)的外表面，并使双轴倾角传感器(1)的x测量轴平行于机身轴线,y测量轴在倾斜方向舵(8)的弦平面内，将x测量轴测量通道置零；

c、用第一钢丝绳(41)、第二钢丝绳(42)连接舵面卡板(2)、舵面加载设备(3)和测力传感器(5)，使加载方向与倾斜垂尾(7)的弦平面保持垂直；

d、调节舵面加载设备(3)，对倾斜方向舵(8)反向加载，记录反向加载载荷P_n和双轴倾角传感器(1)的x测量轴输出值θ_n；

e、拆除钢丝绳(41)、(42)，用第三钢丝绳(43)、第四钢丝绳(44)连接舵面卡板(2)、舵面加载设备(3)和测力传感器(5)，使加载方向与倾斜垂尾(7)的弦平面保持垂直；

f、调节舵面加载设备(3)，对倾斜方向舵(8)进行正向加载，记录正向加载载荷P_n和双轴倾角传感器(1)的x测量轴输出值θ_n；

g、解算正、反向加载获取时对应的倾斜方向舵(8)的转角δ_n：

${\mathrm{\δ}}_i=\mathrm{\ψ}-\arcsin \left(\frac{\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}-\sin {\mathrm{\θ}}_i}{\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\α}{\sin }^2\mathrm{\β}}}\right),$

其中α为倾斜方向舵(8)的外倾角，β为倾斜方向舵(8)的转轴(9)的后掠角，ψ＝arctan(cotα·sinβ)；

h、绘制δ-P曲线，选择曲线线性段的数据P_n和δ_n后，求解正、反向加载曲线的拟合直线方程δ₊＝k₊·P+δ_+,0和δ_-＝k_-·P+δ_-,0；

i、得到倾斜方向舵(8)转动间隙：Δδ＝δ₊,₀-δ_-,0。

2.如权利要求1所述的倾斜方向舵的转动间隙测量方法，其特征在于：所述的双轴倾角传感器(1)为角度测量精度达到0.001°的重力敏感型双轴倾角传感器。

3.如权利要求1所述的倾斜方向舵的转动间隙测量方法，其特征在于：当x测量轴输出值在0±0.02°范围内，所述的双轴倾角传感器(1)的x测量轴与机身轴线平行。