民机高升力系统集成试验台设计研究报告
作者与发表信息
本文标题为《民机高升力系统集成试验台设计研究》，第一作者为徐真，其工作单位是上海飞机设计研究院大型客机集成技术与模拟飞行全国重点实验室。文章发表于《航空精密制造技术》2024年第60卷第6期。
研究背景与目的
民机高升力系统（high lift system）是飞机增升装置的重要组成部分，属于典型的机械系统，其核心功能是通过操控襟翼和缝翼的收放改变机翼的剖面弯度和面积，从而提升飞机在起飞与着陆过程中的性能。高升力系统的研发周期较长，其复杂的设计与性能验证需要有效的试验工具支撑。近年来，国内外在民机高升力系统的研究中积累了大量实践经验，但如何通过集成试验台全面验证高升力系统的功能性能、控制逻辑及接口适配性，仍是一个具备技术挑战性的课题。
目前，高升力系统研制过程涵盖初步设计阶段、详细设计阶段及全面试制阶段。这些阶段对试验台要求不同，而全面试制阶段的系统需求尤其复杂，要求试验台具备高精度、高模块化与高通用性的特性。本研究旨在针对这些需求，设计并开发一种可支持现有机型全面试制、高效验证适航条款的高升力系统集成试验台，并探讨其在系统研发中的应用价值及拓展空间。
研究实施过程和方法
本文基于民机高升力系统的研发需求，从以下几个主要方面展开了系统设计与研究，包括系统成品件布置、台架设计、运动机构设计及配套试验设备的研制，大致流程如下：
1. 系统成品件布置
在试验台结构设计上，研究强调了高集成度与高完整性的特点。与简化版试验台相比，集成式试验台应更好地反映高升力系统的传动特性、软件功能与接口关联。
- 设计特点：左右机翼的对称特性被明确考虑，其中左侧布置了完整的襟翼与缝翼传动线系，包括动力驱动装置、扭力管、旋转作动器、齿轮箱、翼尖刹车及位置/倾斜传感器等成品件。
- 右侧优化设计：右侧仅保留必要的翼尖刹车与传感器，以保持对称性但简化传动结构。
2. 台架设计
高升力系统试验的台架结构是整个试验台的核心，为系统成品件以及配套设备提供可靠的安装接口。
- 模块化与通用性：台架采用模块化设计，考虑了拓展其他型号飞机需求的适应性。在x方向（翼展）、y方向（机身轴线）及z方向（垂直地面）的多向上具备组装灵活性。
- 力学性能优化：台架支架进行了充分的刚度和强度分析，尤其是针对气动载荷模拟施加后的传力路径进行了详细的力学校核。
- 安装维护便捷化：襟/缝翼动力驱动装置的支架底部距地面或安装平面的高度不低于40厘米，方便设备拆卸和后期维护。此外，安装台架还配置有登高防滑台、安全监控及紧急停机开关等设计。
3. 运动机构设计
作为试验台的核心构成，高升力系统的运动机构设计包括以下三个方面：
- 传动精度保障：设计了保持动力驱动之间传递比精度的运动机构，确保输入与输出指向匹配。
- 故障模拟功能：运动机构可实现非对称、卡阻及倾斜等物理层面的故障场景仿真。
- 等效传力结构：虽然未安装真实的襟/缝翼运动机构及翼面，却设计了模拟气动载荷的集中质量块，以测试作动器的力传递性能。
4. 配套试验设备
以高升力系统性能验证为目标，研究针对性地开发了多种配套试验设备，包括气动载荷模拟装置、信号仿真设备、能源供应及自动化测试系统。
- 气动载荷模拟：研究通过载荷谱进行高精度计算，将气动载荷通过伺服加载作动筒施加于作动器的齿轮上，模拟出不同工况下的真实运行状态。
- 信号仿真与故障注入：该系统可切换真实与仿真信号，通过假设断路、短路及噪声干扰等故障情境，验证系统联动功能。
- 能源与自动化测试：试验台电能和液压能供应系统设计兼容性强，完全满足系统研发需求。自动测试平台将测试指令转化为脚本程序，实现测试报告的自动生成。
研究主要结果
研究成功设计并实施了高升力系统集成试验台，其在实验验证阶段表现如下：
- 集成模块化特点：试验台允许分段扩展设计，使其模块化程度进一步提升，不仅满足现有型号的研发需求，还为后续型号提供支持。
- 负载与响应验证：通过对襟翼与缝翼旋转作动器施加最大气动载荷，研究验证了动力驱动装置的负载能力及故障条件下的系统响应能力。
- 故障场景模拟与应对：自动仿真设备高度集成了信号仿真、采集与切换功能，能够精准模拟飞机常见故障场景及监控逻辑。
研究结论与价值
这项研究总结了国内外民机高升力系统试验台建设经验，提出了一种通用性极高的集成试验台设计方案。具体而言，该试验台投入使用后，在全面试制阶段为系统研发、适航验证等任务提供了有效技术支持，其模块化和拓展性设计还降低了后续高升力系统开发的成本与技术风险。
研究亮点
- 高通用性设计：通过模块化和多向性扩展保证了对不同型号高升力系统的适配性。
- 全流程覆盖：从初始设计到全面试制全程覆盖，功能件逐步更新为成品件，完整传动特性得以验证。
- 故障模拟创新：首次采用多样化物理故障场景仿真，特别是非对称、卡阻及倾斜等极端条件。
- 自动化技术应用：构建了高度自动化测试平台，显著提高了实验室试验的效率与准确性。
总结与意义
总体而言，本研究设计的高升力系统集成试验台填补了民机高升力系统研发过程中试验工具的不足。凭借模块化、通用化及自动化的设计特点，该试验台不仅加强了研发效率，还显著降低了系统验证的工程复杂度。其具有的扩展性为下一代高升力系统的开发奠定了重要基础，同时也为民机领域类似复杂系统的试验研究提供了新的借鉴模式。