| 平衡稱重系統在飛機重心測量上的應用 | 2020-02-10 |
| 平衡稱重系統是大型飛機很重要的一套稱重控制系統，主要用來實時測量、計算飛機的稱重和重心位置，從而可以連續反饋飛機的稱重和重心，向飛行控制稱重系統傳輸信息，由飛行控制稱重系統調整空投時的飛行姿態；通過顯示器向機組人員實時顯示飛機的稱重和重心；同時通過超限告警（視覺和聽覺）來提高稱重系統的安全性。 對飛機稱重和重心的準確、實時測量非常重要，飛機自身稱重的增加會改變飛機的重心，降低飛機的商載效率，嚴重時還會影響飛行安全，例如，更換波音747機身表面的油漆，會出現新舊油漆總稱重相差上百千克的情形。稱重改變可能會導致： （1)實際重心偏后，飛機拉起時尾部摩擦跑道導致起火； （2)實際重心偏前，飛機沖到跑道盡頭仍然拉起困難； （3)直升機重心偏離旋翼軸心，使飛行員難以操縱飛機。 目前，國外許多型號的大型飛機像空客、波音等都采用了WBS稱重系統自動測量飛機的稱重重心數據。在ISO6702-1國際標準中就有關WBS稱重系統要求進行了詳細的描述，在ARINC737-1國際標準中也對稱重系統的詳細設計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腹下頂孔作為承力點，在頂孔與承力點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使稱重模塊承重的方式。這種方式測量繁瑣，不具有實時性，數字化程度低，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計算。而由太原航空儀表有限公司進行研制的WBS稱重系統，與傳統的稱重測量和重心解算方法相比具有以下優點： （1)為大飛機實時提供適宜飛行操作的稱重重心數據； （2)在稱重重心以及姿態發生變化的情況下，能夠實時修正并顯示的稱重重心數據； （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稱重系統的發展 國外WBS稱重系統于90年代初應用在大型飛機上，主要針對飛機整體稱重，WBS稱重系統采用的是應變稱重模塊和壓力稱重模塊。 由于飛機平衡稱重系統可以實時確定飛機稱重和重心，并嚴格控制飛機操作的安全和經濟指標，因此，已經逐漸受到大型飛機的青睞，美軍運輸機C-130飛機、波音公司777和空中客車A340等都采用了該稱重系統。其中，的波音777使用了美國CRANE公司的平衡稱重系統，有效改善了飛機整體性能，提高了裝卸效率，極大地減少了維護成本。 平衡稱重系統基本功能組成 稱重系統模塊主要包括稱重平衡計算機、稱重模塊數據管理與顯示計算機、起落架液壓緩沖器中壓力稱重模塊組（用于飛機整體稱重）[2]和貨艙地板電阻應變式稱重模塊組（用于貨艙地板稱重）。稱重系統的主要功能就是接收各種信號，解算并輸出顯示實時的稱重重心數據，同時向飛控稱重系統輸出相應的稱重重心信息，用于飛行狀態控制。 稱重系統主要實現2部分功能，部分是地面情況下飛機整體的實時稱重與重心解算；第二部分是貨艙地板的實時稱重與重心解算。 平衡稱重系統設計原理 1飛機地面整體稱重重心測量設計原理 （1)稱重工作原理。 飛機總稱重由機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輪胎、剎車稱重系統以及轉向梁的稱重就是整個飛機的總稱重。采用一套分別安裝于飛機各起落架液壓緩沖器上的稱重模塊，能夠精確測量每個液壓緩沖器承受的壓力，從而實現飛機的準確秤重。 (2)平衡工作原理。 平衡主要是測量飛機的重心。在地面情況下，飛機重心位置是通過各承力起落架液壓緩沖器相對于基準位置的力矩之和，對比飛機總稱重進行解算的。飛機重心位置應該控制在飛機生產廠要求的范圍內，一般是以飛機MAC的百分比來表示。 (3)稱重系統組成 稱重系統主要由稱重平衡計算機(WBC)、稱重模塊數據管理與顯示計算機(SDM)、稱重模塊模塊(LS)3部分組成。稱重及重心的實時顯示由稱重模塊數據管理與顯示計算機完成。 •稱重平衡計算機(WBC)。 稱重平衡計算機的主要作用是通過處理機接收、解算和處理信號，將解算出的稱重和重心信號實時輸出，提供故障指示和音響告警信號。計算機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。 •稱重模塊數據管理與顯示計算機(SDM)。 稱重模塊數據管理與顯示計算機用來顯示并儲存飛機數據。為保證稱重平衡計算機的可互換性，每架飛機空載時的稱重重心等數據、每個稱重模塊的位置和稱重模塊的標定數據等都會儲存在稱重模塊數據管理與顯示計算機內，通過與稱重平衡計算機的通信來實現數據的交換，其存儲的數據不會因為稱重系統掉電而丟失。 •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，同液壓緩沖器形成一個整體，用于感受飛機液壓緩沖器內的壓力，處理后發送到稱重平衡計算機。 2飛機貨艙稱重及重心實時測量稱重系統設計原理 運輸機在裝卸貨物的過程中，貨物在貨艙內的移動引起力矩發生變化，此時飛機的瞬時重心變化，會使飛機處于不穩定狀態。該稱重系統可以提供運輸機貨艙稱重重心的實時數據。 (1)稱重模塊的選擇。 采用技術相對成熟、便于實施和維護的數字電阻應變式稱重模塊，其結構簡單，性能可靠、穩定，靈敏度高。稱重模塊的精度受到許多因素的影響，如應變片的精度，彈性體的材料和結構、粘接劑的材料、密封材料、信號處理電路等?，F有的WBS稱重系統設計在地面靜態稱重條件下，經過稱重模塊數據標定后，其精度可以達到0.1%。 （2)稱重模塊組件的設計。 電阻應變式稱重模塊組件主要由3部分組成：電阻應變計組成的橋式檢測電路、彈性體和數字處理電路。 檢測電路采用4個電阻應變片組成一個惠斯通電橋，為了提高測量靈敏度，通常采用2對應變片，并使相對橋臂的應變片分別處于拉應力和壓應力的位置，用于重力信號的檢測。應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力敏感部位上[4]。 應變式稱重模塊所用的彈性體根據WBS稱重系統中測量方式和測量范圍的要求，通常選用彈性梁式。彈性體的設計首先是選擇材料，做好彈性體成品，將電橋貼在彈性體上，然后做好數字處理電路，將3部分組合成一個成品，在主梁與甲板和導軌的連接處安裝，根據實際連接位置的結構研制合適的彈性體。稱重模塊的標定在出廠前完成，便于更換和維修。 數字處理電路用來將電橋輸出的信號采集、解算、并進行數據的修正，最后以總線的方式輸出給稱重平衡計算機。 （3)稱重模塊組件的分布。 飛機的貨艙承重部位包括甲板和導軌。甲板一般按塊分割，另外包括若干條導軌，在甲板和導軌的底部有承重主梁，在主梁與甲板及導軌的連接處布置電阻應變式稱重模塊，位置易于選取，固定較為方便，便于維護和數據標定。 貨艙內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，從而可隨時計算出重心的變化情況。通過實時接收慣性導航稱重系統輸出的姿態和加速度信號就可以進行稱重計算的修正。 3飛機地面整體稱重與貨艙實時稱重相結合的稱重系統設計實施 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算機測量解算飛機的整體稱重和重心，該信息傳送到稱重模塊數據管理與顯示計算機中顯示，并將該信息按標準數據格式記錄下來；同時，通過總線將稱重重心信息輸出到貨運空投稱重系統中的貨運空投管理計算機進行飛機貨物監控；將稱重重心信息輸出到飛行控制稱重系統進行飛機狀態控制；飛行控制稱重系統可根據稱重和重心信息調節飛機，將重心調節到適合的位置。裝載貨物以后，由布置于貨艙地板及導軌下的承重主梁上的電阻應變式稱重模塊感受，并由稱重平衡計算機測量解算增加的稱重，可計算出變化后的飛機重心，該稱重和重心數據實時輸出到貨運空投計算機和飛行控制稱重系統，并傳送到稱重模塊數據管理與顯示計算機中保存。 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單元；而且能夠從燃油耗量計算機中接收到有關燃料流動、消耗和轉移的情況；而貨艙中電阻應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以及三軸加速度信號進行重力的修正計算后，根據重心計算公式就可實時得到新的飛機重心位置，從而使飛行員迅速掌握飛機動態平衡情況，保障飛行安全。 結束語 隨著國民經濟的高速發展和軍事需要的增加，大型航空貨運在運輸中所占的比例不斷加大，而平衡稱重系統又是航空運輸中的和重要的一套稱重系統，因此，該稱重系統的研制和在大型飛機上的應用必將減少地勤人員的工作量?？焖僬莆诊w機裝載狀態以及貨物裝卸后飛機狀態的變化，是提高貨物運輸安全和保障人機安全的重要保證。 | |
