方向舵悬挂的设计

更新时间:2024-02-02 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:4998 浏览:19518

0引言

某某型机研制中,在某某台架上进行操纵系统试验时,发现方向舵有下沉现象.这一现象反映在方向舵悬挂支臂与方向舵前缘开口上下间隙偏离,即上间隙小,下间隙大.在飞机结构部件对接装配后,再次出现同样问题.

值得注意的是,当方向舵与其操纵系统相连后,“下沉”消失,方向舵恢复正确位置.这说明方向舵受到操纵系统上顶作用.从“下沉”到“恢复”,从个别到一般,反映出方向舵及其操纵系统,无论是原形机还是改型机,都存在设计问题甚至潜在的隐患.

1方向舵下沉原因

可以肯定地说,方向舵下沉是在自重作用下,由于悬挂支臂刚度太差造成的.方向舵由四个支臂悬挂在垂直尾翼安定面后梁上,支臂通过关节轴承与舵面梁上的接头相连.支臂成为一端固支的悬臂梁,方向舵的重力完全由这四个悬臂梁承担.由于支臂较长,与安定面后梁的固定较弱,支臂截面也不利于承受垂直方向的弯矩,致使在方向舵重力作用下支臂末端产生较大的挠度.虽然新型机方向舵悬挂支臂由原来的三个增加到四个,但由于新型机的方向舵重量大幅度增加,悬挂支臂加长,且截面垂向弯曲刚度未加大,所以下沉量明显增大.

为什么安装操纵系统后,方向舵又恢复其正常位置呢.这是由于方向舵操纵系统的管轴安装是以机体结构为基准的,它要保持正确的安装位置,就必然与下沉的方向舵发生干涉,在管轴上端与方向舵转轴相连时,将方向舵上顶,并使其恢复到正确位置.

方向舵恢复到正确位置,表面上看是好事,实际却存在着隐患.首先,方向舵转轴上端与一径向轴承相连,这种轴承理论上不承受轴向力,实际可以承受很小的轴向力.一旦轴向力较大,轴承内环将脱离外环,致使不能转动或难以转动.第二,方向舵转轴与方向舵结构之间,在四个悬挂交点处没有任何连接可以传递轴向载荷(垂向载荷),管轴上顶的力不可能由转轴直接传给方向舵.方向舵转轴上还装有其它操纵摇臂以及方向舵偏角限制电动机构.正是这些机构把转轴向上的力拐折地传给方向舵的,即俗话“蹩劲”.这种“蹩劲”对操纵系统是不允许的,不仅会增大摩擦力而且降低系统的可靠性和耐久性.

2两种设计理念

方向舵承受的载荷按其作用方向分为两大类,一类是垂直于方向舵铰链轴线(即旋转轴线)的力,主要是飞行中舵面偏转引起的气动力;另一类是平行于铰链线的力,主要是飞行、正常着陆和应急着陆中由方向舵质量引起的惯性力.另外,为了避免飞行中操纵面振动引起的支承结构的破坏,各国民用航空适航标准都规定了平行于操纵面铰链线的惯性载荷,对于方向舵过载为24g(g为重力加速度),设计载荷达到36g.为了使方向舵悬挂系统能承受如此大的垂向载荷,目前有两种设计思路或理念.第一种设计理念是由悬挂系统仅承受前面所说的第一类载荷,即气动载荷.平行于铰链的惯性载荷则由方向舵操纵系统承受.第二种设计理念是由悬挂系统承受全部第一类、第二类载荷.

为了解决方向舵下沉并使其承受36g惯性载荷,某改型机方向舵悬挂系统在方向舵端肋与机身之间加装了支座,用以把方向舵垂向载荷直接传给机身,原有的悬挂支臂只承担气动载荷,从而组成新的悬挂系统.MD-82飞机方向舵悬挂系统采取的是第一种设计理念,操纵方向舵旋转的扭力管不仅属于操纵系统元件,而且承担方向舵的垂向载荷,并把它传给机身.这样使元件得以充分利用,节省了重量.

波音737飞机方向舵的悬挂系统,没有在方向舵与机身之间设计支座.平行于铰链线的惯性载荷完全由7个装于安定面上的双耳支座承受.与某型飞机不同,这7个双耳支座并不是直接连在安定面后梁上,而是各自与一翼肋延伸段(或隔板)相连,翼肋与蒙皮构成薄壁盒形结构,将方向舵平行于铰链的载荷传给安定面后梁.这些悬挂支座较短,具有较高的垂向弯曲刚度,与悬臂梁有较大差别,有利于承受大的平行于铰链的载荷.

3方向舵悬挂系统的一体化设计

方向舵的悬挂设计与方向舵有着密切联系,在方向舵的总体气动设计时就要考虑到它的悬挂方案.方向舵转轴的位置不仅决定方向舵气动补偿的大小,也确定了方向舵悬挂接头的长度.一般情况(高速飞机除外),对于无助力操纵,转轴前的舵面面积约占舵面总面积的20%~25%,当达到28%时则出现过补偿.某改型机的这一比例高达32%,不仅在操纵感力的控制方面付出了重量代价,而且造成悬挂支座过长而大大降低了垂向弯曲支承刚度.不得不在方向舵端肋与机身之间增加支座,承受垂向载荷.而不能象MD-82飞机那样,既是支座又是操纵系统扭力管,得以综合利用.之所以造成高达32%的比例,是由于在加大垂直尾翼面积时,只简单地延伸加大了方向舵面积而没有从新布置方向舵及其旋转轴线位置.方向舵旋转轴线距方向舵前缘越近,越有利于悬挂支座的刚度,但是不利于整个方向舵的重量平衡设计.波音737飞机为了解决重量平问题,把方向舵配重前伸至安定面内,并在安定面后部开有缺口,在方向舵偏转时配重突出安定面外形.

方向舵悬挂点的数量也应在方向舵设计时予以优化,悬挂点数量多,有利于舵面支持刚度,减轻结构重量,但是安装协调困难,维修费时.一般采用3~5个.

方向舵悬挂支座的几何构形还与安定面梁的布置有直接关系.安定面后梁的位置离方向舵越近,越有利于支座的刚度设计.在布置安定面梁的位置时应该考虑到这一点.安定面后梁以后的结构如仍采用薄壁盒形结构则有利于悬挂支臂的受力,如波音737飞机.总之,方向舵悬挂系统应与方向舵、垂尾安定面及其操纵系统实行一体化设计,才能获得最佳效果.


[责任编辑:陈双芹]