基于颤振抑制要求的舵面作动系统设计

摘要：文章从技术、安全和适航要求角度分析了颤振抑制对舵面作动系统的要求，提出了作动系统频率、刚度、间隙、阻尼和余度配置等设计指标及确定方法，并以某机型副翼系统为例，从设计要求制订、系统构架、建模分析等方面，介绍了一种满足颤振抑制要求和适航安全性要求的作动系统的设计实现。

关键词：颤振抑制；舵面作动系统；作动器；动刚度；阻尼曲线

中图分类号：V215 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）30-0066-02

颤振是飞机结构在均匀气流中受到空气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动，颤振常导致灾难性的结构破坏。本文从适航、安全性以及颤振抑制技术要求出发，对非质量平衡舵面作动系统的设计要求进行分析，并结合一个典型案例，提出系统设计时应考虑的主要因素和技术指标，给出一套实用的设计和分析方法。

一、颤振抑制要求

舵面作动系统实现颤振抑制的方法有提供舵面足够的支撑刚度和在舵面转动方向设置阻尼。此外，颤振主动抑制技术也正在快速发展且表现出广阔的

前景。

提高舵面旋转刚度是防止舵面与机体结构耦合颤振和其他气动弹性不稳定性的重要措施。因颤振抑制对作动系统的刚度需求与舵面惯量直接相关，所以，对作动系统的刚度需求首先表达为舵面绕转轴的自然频率，进而分解为对舵面惯量、各部分刚度和几何尺寸的要求。为更准确地表达颤振抑制对刚度的要求，可采用动刚度的概念，即将刚度表示为频率的函数。

设置舵面旋转阻尼是作动系统提供的另一种颤振抑制措施，可与支撑刚度一起或单独发挥作用。

二、作动系统设计要求

（一）系统构架和余度配置

根据适航CCAR25.571、25.629、25.631、25.671、25.672和25.1309等条款要求，为保证系统和部件任何非极不可能的失效和失效组合发生时仍具有颤振抑制能力，舵面应设置两套或以上的作动器和阻尼器。考虑相关系统和部件目前能达到的失效率水平，一般需考虑3重或以上的刚度/阻尼措施，保证在双重故障下的颤振安全。

（二）机构安装间隙

传动机构不可避免地存在一定的间隙。在惯性力作用下，间隙会造成舵面的偏转。间隙会随着机构的磨损而增大，所以颤振抑制对作动器间隙在全寿命周期内有着较高的要求。一般在飞机使用寿命内的各种条件下，其总自由间隙不超过垂直于铰链线、从铰链线到操纵面后缘距离的0.22%。

（三）作动系统刚度和阻尼

对质量不平衡操纵面来说，为了防止舵面颤振，必须对操纵面作动器的刚度和阻尼特性提出设计要求，另外，操纵面质量特性、操纵面邻近结构的动力特性、不同旋转频率下操纵刚度、阻尼器、各种形式的气动补偿等参数影响颤振特性的规律，因此在设计初期，应尽早提出操纵面旋转自然频率、阻尼特性以及相关操纵面转动惯量、作动器支持刚度等要求，根据这些要求设计符合防颤振要求的作动器。

另外，作动器需要设计成在系统最大误差及最大磨损情况下，仍能满足作动器刚度和阻尼的要求。

三、典型舵面作动系统的实例

以下以某机型的副翼系统为例，介绍满足颤振抑制要求的作动系统设计的要求与实现。

舵面由两个独立的液压作动器驱动，作动器壳体与后梁通过安装法兰刚性连接。作动器具有主动和阻尼两种工作模式，可根据控制信号切换。失去有效控制信号或液压能源时，作动器自动转入阻尼模式。

利用仿真模型对作动器动刚度进行分析。图1有三条独立的动刚度曲线，是最大误差累积时的作动器动刚度，粉色曲线代表满足舵面颤振抑制要求的作动器最小动刚度。图1表示在舵面自然频率时作动器在最大误差情况下的动刚度比要求值要大，能满足舵面颤振抑制的要求。

作动器伺服回路所具有的动刚度，可保证舵面上的每个作动器都能单独进行全颤振抑制。即使一个作动器故障，另外一个作动器也能提供足够的动刚度。

由于失效的作动器自动转换至阻尼模式，所以考虑极端故障情况，即一个作动器与结构连接，处于阻尼模式，而另一个作动器与结构断开情况下，作动系统所能提供的阻尼应满足舵面颤振的需求。

作动器根据可变阻尼节流孔实现阻尼设计。阻尼状态时，作动器两腔的液压油通过可变节流孔来回流动。根据可变节流孔特性、结构刚度、作动器材料刚度、油柱刚度和间隙建立无源阻抗模型，并采用等效于0.25度舵面的位移幅值信号进行扫频测试分析来检验阻尼。

图2中六条曲线表现了对应不同信号频率的阻尼。阻尼曲线考虑了带间隙和不带间隙情况下的最大、最小和名义的阻尼。最大和最小的阻尼与可变节流孔的容差，流体温度和摩擦力有关。如图2所示，所有六条曲线都超过舵面所需的最小阻尼的要求（粉色曲线）。通过以上分析，从阻尼曲线可以看出在采用可变阻尼节流阀的作动器在更低频率下的作动器的阻尼是更大的。由于阻尼应定义为阻抗的虚部除以频率Im(I(jω))/ω，即使在低频率下的小量无源阻抗也会导致在频率趋近于零阻尼趋向于无穷大。上述分析说明当舵面不再可控时，因故障而处于阻尼状态的单个作动器也能进行全颤振抑制。

四、结语

通过以上对作动系统余度配置，作动器安装的间隙控制，作动器动刚度、阻尼等方面设计的分析，说明该机型副翼舵面作动系统的设计满足舵面颤振抑制要求。以上作动系统特性根据风洞试验颤振特性所设计及理论计算来进行设计，且作动器特性也采用仿真模型进行分析，后续还将通过作动器试验来验证作动器动刚度和阻尼是否满足设计要求。通过颤振试飞对飞机及舵面颤振特性将进一步验证舵面操纵系统对适航规章的符合性及确认设计要求的正确性。

参考文献

[1] 运输类飞机适航标准CCAR-25-R4．