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| 平衡稱重系統(tǒng)在飛機(jī)重心測量上的應(yīng)用 | 2020-02-10 |
| 平衡稱重系統(tǒng)是大型飛機(jī)很重要的一套稱重控制系統(tǒng)，主要用來實(shí)時(shí)測量、計(jì)算飛機(jī)的稱重和重心位置，從而可以連續(xù)反饋飛機(jī)的稱重和重心，向飛行控制稱重系統(tǒng)傳輸信息，由飛行控制稱重系統(tǒng)調(diào)整空投時(shí)的飛行姿態(tài)；通過顯示器向機(jī)組人員實(shí)時(shí)顯示飛機(jī)的稱重和重心；同時(shí)通過超限告警（視覺和聽覺）來提高稱重系統(tǒng)的安全性。 對飛機(jī)稱重和重心的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測量非常重要，飛機(jī)自身稱重的增加會(huì)改變飛機(jī)的重心，降低飛機(jī)的商載效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響飛行安全，例如，更換波音747機(jī)身表面的油漆，會(huì)出現(xiàn)新舊油漆總稱重相差上百千克的情形。稱重改變可能會(huì)導(dǎo)致： （1)實(shí)際重心偏后，飛機(jī)拉起時(shí)尾部摩擦跑道導(dǎo)致起火； （2)實(shí)際重心偏前，飛機(jī)沖到跑道盡頭仍然拉起困難； （3)直升機(jī)重心偏離旋翼軸心，使飛行員難以操縱飛機(jī)。 目前，國外許多型號的大型飛機(jī)像空客、波音等都采用了WBS稱重系統(tǒng)自動(dòng)測量飛機(jī)的稱重重心數(shù)據(jù)。在ISO6702-1國際標(biāo)準(zhǔn)中就有關(guān)WBS稱重系統(tǒng)要求進(jìn)行了詳細(xì)的描述，在ARINC737-1國際標(biāo)準(zhǔn)中也對稱重系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能要求作了敘述。 對于稱重的測量，一般都采用了借助飛機(jī)腹下頂孔作為承力點(diǎn)，在頂孔與承力點(diǎn)之間用輪輻式稱重模塊作為測量部件，由液壓千斤頂提升飛機(jī)使稱重模塊承重的方式。這種方式測量繁瑣，不具有實(shí)時(shí)性，數(shù)字化程度低，對于重心的獲得主要是基于專門的地勤人員手工測量和手動(dòng)計(jì)算。而由太原航空儀表有限公司進(jìn)行研制的WBS稱重系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的稱重測量和重心解算方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1)為大飛機(jī)實(shí)時(shí)提供適宜飛行操作的稱重重心數(shù)據(jù)； （2)在稱重重心以及姿態(tài)發(fā)生變化的情況下，能夠?qū)崟r(shí)修正并顯示的稱重重心數(shù)據(jù)； （3)精確的稱重和重心管理，能夠在稱重重心超限情況下給出故障告警顯示。 WBS稱重系統(tǒng)的發(fā)展 國外WBS稱重系統(tǒng)于90年代初應(yīng)用在大型飛機(jī)上，主要針對飛機(jī)整體稱重，WBS稱重系統(tǒng)采用的是應(yīng)變稱重模塊和壓力稱重模塊。 由于飛機(jī)平衡稱重系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)確定飛機(jī)稱重和重心，并嚴(yán)格控制飛機(jī)操作的安全和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，已經(jīng)逐漸受到大型飛機(jī)的青睞，美軍運(yùn)輸機(jī)C-130飛機(jī)、波音公司777和空中客車A340等都采用了該稱重系統(tǒng)。其中，的波音777使用了美國CRANE公司的平衡稱重系統(tǒng)，有效改善了飛機(jī)整體性能，提高了裝卸效率，極大地減少了維護(hù)成本。 平衡稱重系統(tǒng)基本功能組成 稱重系統(tǒng)模塊主要包括稱重平衡計(jì)算機(jī)、稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)、起落架液壓緩沖器中壓力稱重模塊組（用于飛機(jī)整體稱重）[2]和貨艙地板電阻應(yīng)變式稱重模塊組（用于貨艙地板稱重）。稱重系統(tǒng)的主要功能就是接收各種信號，解算并輸出顯示實(shí)時(shí)的稱重重心數(shù)據(jù)，同時(shí)向飛控稱重系統(tǒng)輸出相應(yīng)的稱重重心信息，用于飛行狀態(tài)控制。 稱重系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)2部分功能，部分是地面情況下飛機(jī)整體的實(shí)時(shí)稱重與重心解算；第二部分是貨艙地板的實(shí)時(shí)稱重與重心解算。 平衡稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 1飛機(jī)地面整體稱重重心測量設(shè)計(jì)原理 （1)稱重工作原理。 飛機(jī)總稱重由機(jī)身下部的起落架液壓緩沖器支撐，各液壓緩沖器所承受的壓力加上飛機(jī)輪胎、剎車稱重系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向梁的稱重就是整個(gè)飛機(jī)的總稱重。采用一套分別安裝于飛機(jī)各起落架液壓緩沖器上的稱重模塊，能夠精確測量每個(gè)液壓緩沖器承受的壓力，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的準(zhǔn)確秤重。 (2)平衡工作原理。 平衡主要是測量飛機(jī)的重心。在地面情況下，飛機(jī)重心位置是通過各承力起落架液壓緩沖器相對于基準(zhǔn)位置的力矩之和，對比飛機(jī)總稱重進(jìn)行解算的。飛機(jī)重心位置應(yīng)該控制在飛機(jī)生產(chǎn)廠要求的范圍內(nèi)，一般是以飛機(jī)MAC的百分比來表示。 (3)稱重系統(tǒng)組成 稱重系統(tǒng)主要由稱重平衡計(jì)算機(jī)(WBC)、稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)(SDM)、稱重模塊模塊(LS)3部分組成。稱重及重心的實(shí)時(shí)顯示由稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)完成。 •稱重平衡計(jì)算機(jī)(WBC)。 稱重平衡計(jì)算機(jī)的主要作用是通過處理機(jī)接收、解算和處理信號，將解算出的稱重和重心信號實(shí)時(shí)輸出，提供故障指示和音響告警信號。計(jì)算機(jī)中包含有各種情況下稱重和重心的算法、超限的判別以及稱重模塊信號的解算和修正算法。 •稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)(SDM)。 稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)用來顯示并儲(chǔ)存飛機(jī)數(shù)據(jù)。為保證稱重平衡計(jì)算機(jī)的可互換性，每架飛機(jī)空載時(shí)的稱重重心等數(shù)據(jù)、每個(gè)稱重模塊的位置和稱重模塊的標(biāo)定數(shù)據(jù)等都會(huì)儲(chǔ)存在稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過與稱重平衡計(jì)算機(jī)的通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榉Q重系統(tǒng)掉電而丟失。 •稱重模塊模塊(LS)。 稱重模塊模塊采用大壓力稱重模塊，安置于起落架液壓緩沖器內(nèi)，同液壓緩沖器形成一個(gè)整體，用于感受飛機(jī)液壓緩沖器內(nèi)的壓力，處理后發(fā)送到稱重平衡計(jì)算機(jī)。 2飛機(jī)貨艙稱重及重心實(shí)時(shí)測量稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 運(yùn)輸機(jī)在裝卸貨物的過程中，貨物在貨艙內(nèi)的移動(dòng)引起力矩發(fā)生變化，此時(shí)飛機(jī)的瞬時(shí)重心變化，會(huì)使飛機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該稱重系統(tǒng)可以提供運(yùn)輸機(jī)貨艙稱重重心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 (1)稱重模塊的選擇。 采用技術(shù)相對成熟、便于實(shí)施和維護(hù)的數(shù)字電阻應(yīng)變式稱重模塊，其結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠、穩(wěn)定，靈敏度高。稱重模塊的精度受到許多因素的影響，如應(yīng)變片的精度，彈性體的材料和結(jié)構(gòu)、粘接劑的材料、密封材料、信號處理電路等。現(xiàn)有的WBS稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)在地面靜態(tài)稱重條件下，經(jīng)過稱重模塊數(shù)據(jù)標(biāo)定后，其精度可以達(dá)到0.1%。 （2)稱重模塊組件的設(shè)計(jì)。 電阻應(yīng)變式稱重模塊組件主要由3部分組成：電阻應(yīng)變計(jì)組成的橋式檢測電路、彈性體和數(shù)字處理電路。 檢測電路采用4個(gè)電阻應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯通電橋，為了提高測量靈敏度，通常采用2對應(yīng)變片，并使相對橋臂的應(yīng)變片分別處于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的位置，用于重力信號的檢測。應(yīng)變片與彈性體的裝配一般采用粘貼式，該電橋電路貼在彈性體的應(yīng)力敏感部位上[4]。 應(yīng)變式稱重模塊所用的彈性體根據(jù)WBS稱重系統(tǒng)中測量方式和測量范圍的要求，通常選用彈性梁式。彈性體的設(shè)計(jì)首先是選擇材料，做好彈性體成品，將電橋貼在彈性體上，然后做好數(shù)字處理電路，將3部分組合成一個(gè)成品，在主梁與甲板和導(dǎo)軌的連接處安裝，根據(jù)實(shí)際連接位置的結(jié)構(gòu)研制合適的彈性體。稱重模塊的標(biāo)定在出廠前完成，便于更換和維修。 數(shù)字處理電路用來將電橋輸出的信號采集、解算、并進(jìn)行數(shù)據(jù)的修正，最后以總線的方式輸出給稱重平衡計(jì)算機(jī)。 （3)稱重模塊組件的分布。 飛機(jī)的貨艙承重部位包括甲板和導(dǎo)軌。甲板一般按塊分割，另外包括若干條導(dǎo)軌，在甲板和導(dǎo)軌的底部有承重主梁，在主梁與甲板及導(dǎo)軌的連接處布置電阻應(yīng)變式稱重模塊，位置易于選取，固定較為方便，便于維護(hù)和數(shù)據(jù)標(biāo)定。 貨艙內(nèi)所有布置的稱重模塊所感受到的稱重總和即為承載的貨物及人員總稱重，而稱重模塊的布放位置固定且已知，從而可隨時(shí)計(jì)算出重心的變化情況。通過實(shí)時(shí)接收慣性導(dǎo)航稱重系統(tǒng)輸出的姿態(tài)和加速度信號就可以進(jìn)行稱重計(jì)算的修正。 3飛機(jī)地面整體稱重與貨艙實(shí)時(shí)稱重相結(jié)合的稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施 在地面情況下，裝載貨物以前，由布置于液壓緩沖器中的壓力稱重模塊感受并由稱重平衡計(jì)算機(jī)測量解算飛機(jī)的整體稱重和重心，該信息傳送到稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)中顯示，并將該信息按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式記錄下來；同時(shí)，通過總線將稱重重心信息輸出到貨運(yùn)空投稱重系統(tǒng)中的貨運(yùn)空投管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行飛機(jī)貨物監(jiān)控；將稱重重心信息輸出到飛行控制稱重系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)狀態(tài)控制；飛行控制稱重系統(tǒng)可根據(jù)稱重和重心信息調(diào)節(jié)飛機(jī)，將重心調(diào)節(jié)到適合的位置。裝載貨物以后，由布置于貨艙地板及導(dǎo)軌下的承重主梁上的電阻應(yīng)變式稱重模塊感受，并由稱重平衡計(jì)算機(jī)測量解算增加的稱重，可計(jì)算出變化后的飛機(jī)重心，該稱重和重心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出到貨運(yùn)空投計(jì)算機(jī)和飛行控制稱重系統(tǒng)，并傳送到稱重模塊數(shù)據(jù)管理與顯示計(jì)算機(jī)中保存。 在飛行過程中，由于裝載貨物的位置和稱重都已記錄在存儲(chǔ)單元；而且能夠從燃油耗量計(jì)算機(jī)中接收到有關(guān)燃料流動(dòng)、消耗和轉(zhuǎn)移的情況；而貨艙中電阻應(yīng)變式稱重模塊的相對位置固定不變，按各稱重模塊感受到的壓力和接收到的姿態(tài)以及三軸加速度信號進(jìn)行重力的修正計(jì)算后，根據(jù)重心計(jì)算公式就可實(shí)時(shí)得到新的飛機(jī)重心位置，從而使飛行員迅速掌握飛機(jī)動(dòng)態(tài)平衡情況，保障飛行安全。 結(jié)束語 隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和軍事需要的增加，大型航空貨運(yùn)在運(yùn)輸中所占的比例不斷加大，而平衡稱重系統(tǒng)又是航空運(yùn)輸中的和重要的一套稱重系統(tǒng)，因此，該稱重系統(tǒng)的研制和在大型飛機(jī)上的應(yīng)用必將減少地勤人員的工作量?？焖僬莆诊w機(jī)裝載狀態(tài)以及貨物裝卸后飛機(jī)狀態(tài)的變化，是提高貨物運(yùn)輸安全和保障人機(jī)安全的重要保證。 | |
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