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会动的铁鸟

2015年12月23日 14:04   来源:《大飞机》杂志   黄建国

  一架大型客机由数以百万计的零部件组成,涉及航电、环控、飞控等数十个复杂的系统。要确保飞机飞行安全,离不开首飞前复杂的地面试验。在这些试验中,首先是铁鸟试验。

  外形奇特的“飞机”

  走进中国商飞设计研发中心宽敞明亮的试验大厅,一架奇特的钢铁骨架“飞机”威武地展现在眼前:高耸的尾翼和垂尾,让你不禁抬头仰视,好高呀!

  可是,细看之下,它的前后三只脚却深藏不露。原来,它躲在地下的“大坑”中,机翼后缘的襟翼、副翼贴近地面,降低了露出地面的高度,这样不仅方便了测试、维护,还节省了制造成本。它,就是大厅的主角——铁鸟。

  铁鸟由成百根钢材交错、搭接、电焊而成,看起来很简单,但实际上设计、制造、安装铁鸟并非易事。铁鸟与它模拟的飞机外形相像,布局完全一样,还与飞机的主要承力结构前梁、后梁、框等非常接近。它复杂的骨架搭配需要精心设计,使其承载最大、传力路径最短。

  值得一提的是,铁鸟上有与飞机同样的舵面,与舵面相连的驱动装置、传动系统、控制系统等都与飞机一模一样。正因如此,铁鸟所有的翅膀——前缘的缝翼,后缘的襟翼、副翼,以及尾部的水平安定面、升降舵和方向舵等都可以灵活运动,给冷冰冰的铁鸟增添了几分灵气。

  铁鸟上的起落架系统虽不起眼,但也很重要,它是飞机起降和滑行的关键部件。它的三条“腿”——一个前起落架、两个主起落架悬挂于铁鸟的骨架上,下沉到三个方形大坑中,有利于做复杂的空间运动,既可放下、收上,又能左右摆动。这样的设计能降低铁鸟的整体高度2米多。

  目前,C919大型客机的飞控、液压、起落架等系统由国外供应商提供。尽管各系统在交付前都进行了严格性能鉴定,但不同的系统装在一架飞机上能否协调一致、运行自如,也需要进行复杂的集成试验,而“铁鸟”就为这些试验提供了一个理想的平台。通过铁鸟试验,有时能暴露一些系统在设计制造中存在的问题,为项目研制赢得宝贵的时间,降低各种风险。

  新飞机的好帮手

  一种新机型所采用的技术,虽然在研发过程中进行过详细的论证和计算,但还必须通过1︰1的真件试验并获得满意的结果,才能最终用在飞机上。

  铁鸟试验要数系统功能试验最多。通过它,可以验证飞控、液压、起落架主系统及更多子系统的性能是否满足设计要求,如舵面全行程偏转作动器的行程、速度和时间能否与要求一致,系统动态特性稳定而不抖动,系统跟随信号准确而不出现超前或滞后等。

  空客公司一位名叫马克?库辛的系统主管曾经举过一个例子,在进行A350XWB的铁鸟试验时,工程师发现了起落架舱门运动阻滞、无法顺畅打开的问题,通过改进舵门放下、收上液压阀的释放时间差,最终消除了故障,从而避免了将隐患带上天的风险。

  当你置身于铁鸟试验现场时,你会切身感受到一种繁忙而快乐的动感。随着“驾驶员”做出的每一个动作,驾驶杆的推拉,脚蹬向前向后,手柄的扳动,马达声响,舵面放下、收上,方向舵左偏右转??此时,位于试验大厅旁的办公室内,计算机屏幕上一条条曲线在跳动,五颜六色的信号灯不停闪烁。通过一系列试验,工程师获得了大量数据,为新飞机的设计制造提供了科学权威的依据。

  故意设置一些“故障”

  铁鸟试验最重要的目的是发现研制中的新飞机存在的问题,不让潜伏的隐患随飞机上天。有趣的是,为了消除故障,工程师常常有意在铁鸟上设置一些故障,以寻找万一出现问题之后的解决之道,并尽可能地做好事先预防工作。

  像C919之类的大型客机,大多由位于舵面两端的作动器共同推动舵面运动,倘若其中的一个作动器卡住,将引起整个系统无法运动,此刻飞机还能安全飞行吗?

  为此,工程师在铁鸟上通过舵面加载模拟了上述情形,通过试验,就能作出最直接、最权威的判断。如果有一个作动器坏了,铁鸟试验会告诉你,舵面还会在另一个作动器的推动下偏转。不过,它会渐渐发生倾斜并持续加大,直至造成舵面卡阻或舵面结构破坏。根据这种变化趋势,设计师们不难找到相应的对策。

  再如,C919大型客机40多米长的机翼前缘、后缘分布着一节连一节的传动扭力管,其外端安装着缝翼和襟翼位置传感器。它们既表示缝翼、襟翼运动的角度,又监控左右舵面是否偏转同步。如果其中有一节扭力管脱开或断裂,整个分系统的位置传感信号就可能完全丧失。此时,一旦出现左右缝翼、襟翼倾斜过大,极有可能导致飞机出现灾难性事故。

  铁鸟模拟这一事件时,通过在两节扭力管之间安装一个自动“脱开-连接”机构,可以灵活、真实地再现瞬间出现的事故以及飞机的变化、驾驶员的反应动作等详细过程,这为飞机设计师改进防范措施提供了依据。

  除了模拟硬件故障外,铁鸟上还可以开展软件故障模拟试验,尽管飞机上的计算机发生故障的概率很小,但也必须在铁鸟上进行严格的系统联试。

  例如,工程师在一台控制舵面运动的铁鸟计算机中,通过人为设置错误程序或运行带故障的软件,造成舵面向下运动,并超出最大行程之外,收上时,让舵面与飞机机体碰撞,造成飞机结构破坏。通过铁鸟试验,便可以找到舵面收上、放下的最大行程的精确位置。然后,在相应的飞机结构和舵面上加装机械止动块,杜绝这类事故的发生。

  一种新型客机的诞生,离不开铁鸟试验。未来,随着铁鸟智能化程度的不断提高,试验的效率也将不断提高,铁鸟在型号研制中的重要性也越来越大。

(责任编辑:闫欢)