基于力矩平衡法的直升机重心测量误差分析.pdf

-53-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期航空航天直升机全机称重是获取准确的全机重心的唯一可靠方法，也是重心设计与控制效果唯一的验证方法。但重心测量结果总会与预测值存在差异，当差异明显时，就必须进行称重结果分析，找到差异的原因并予以修正。力矩平衡法是直升机重心测量的主要方法之一，本文以后三点千斤顶布置方案为例介绍了该方法的重心测量原理，定性的找出影响重心测量结果的参数，并开展了定量分析以及样机验证，为直升机重心测量误差分析以及如何减小重心测量误差提供参考和建议。直升机称重原理水平称重直升机的重量重心测量一般利用机身顶起点配合千斤顶进行测量。直升机机身千斤顶接头一般设置三个，呈等腰三角形布置。直升机的水平称重只能测量出直升机纵向重心和横向重心。进行水平称重时，首先在直升机机身千斤顶接头下方放置千斤顶，千斤顶下方放置电子秤。通过千斤顶的举升作用使直升机机轮离地，通过调节千斤顶使直升机处于水平状态。以后三点千斤顶布置直升机为例（见图 1），根据力矩平衡原理：直升机总重：G=W1+W2+W3纵向重心：横向重心：三维称重直升机三维称重的目的是测量出直升机的垂向重心，一般步骤为先将直升机调至水平状态，然后通过调整千斤顶高度使直升机处于一定纵向倾角 状态。见图 2 所示。根据力矩平衡及相似三角形原理：垂向重心：行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于力矩平衡法的直升机重心测量误差分析姬广东姬广东航空工业直升机设计研究所姬广东（1992），江西景德镇，本科，南京航空航天大学，研究方向：直升机总体设计。中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-54-航空航天由于 是小角度，对以上公式进行简化，得出：GCX 误差 dtan（2）直升机姿态误差对横向重心 GCY的影响根据直升机称重原理分析，直升机纵向倾角对横向重心无影响，横向倾角对横向重心有影响。当直升机存在横向倾角，见图 3，计算时认为水平。横向重心计算值：横向重心实际值：横向重心测量误差：（3）直升机姿态误差对垂向重心 GCZ的影响直升机进行三维称重时，容易引起垂向重心测量误差的是纵向倾角。当三维称重实际纵向倾角为 实际、理论纵向倾角为 理论时：垂向重心计算值：垂向重心实际值：垂向重心测量误差：电子秤精度对重心测量结果影响电子秤的精度直接影响直升机重心的测量结果。在此只对纵横向重心的影响开展分析。水平状态称重结果计算值：图 3 存在横向角称重示意图图 2 后三点三维称重示意图注：W1、W2、W3 为直升机低头 角度后电子秤读数，P1、P2、P3 分别为三个千金顶点，GC为直升机重心，GC-XZ为重心在直升机对称面上的投影，为直升机纵向倾角，为千斤顶点确定的平面与水平面的夹角，d 为 GC-XZ到过 P1、P2 的水平面的距离。图 1 后三点水平称重示意图注：W1、W2、W3 分别为电子秤读数，P1、P2、P3 分别为三个千金顶点，其中 P1、P2 关于 X-Z 平面对称，P3 在 X-Z平面内。GC为直升机重心，GC-XY、GC-YZ、GC-XZ分别为重心在过P1、P2、P3投影的平面、过 P1、P2 的垂直面、直升机对称面上的投影。直升机重心测量误差参数影响性分析从直升机称重原理可以看出，直升机重心测量准确性主要有两个方面因素影响，分别为：一、称重时直升机姿态；二、电子秤精度。直升机姿态误差对重心测量结果的影响（1）直升机姿态误差对纵向重心 GCX的影响根据直升机称重原理分析，直升机纵向倾角对纵向重心有影响，横向倾角对纵向重心无影响。当直升机存在纵向倾角，见图 2，计算时认为水平。纵向重心计算值：纵向重心实际值：纵向重心测量误差：-55-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期航空航天实际值：测量误差：小结由以上分析可以看出：直升机纵向姿态误差直接影响直升机纵向重心误差，且成正切关系，姿态误差越大纵向重心误差越大。直升机横向姿态误差直接影响直升机横向重心误差，且成正切关系，姿态误差越大横向重心误差越大。直升机纵向姿态对垂向重心误差影响较为复杂，与预设姿态角以及姿态角误差都有关系。样机称重误差分析样机 A 主要参数示例理论空机重量：6 000kg；表 3 直升机姿态对样机 A 垂向重心测量误差影响分析（1）序号理论纵向倾角（）实际纵向倾角（）水平状态后千斤顶重量传感器读数 W3（kg）实际倾角状态后千斤顶重量传感器读数 W3（kg）测量误差（mm）误差分析1.51.72 628.12 583.1-204.0假设直升机理论预倾角为 1.5度，实际倾角与理论倾角相差0.2 度时，垂向重心测量误差达 204mm，且随实际倾角与理论倾角相差减小而减小。1.51.662 628.12 584.1-163.21.51.622 628.12 585.2-122.41.51.582 628.12 586.3-81.61.51.542 628.12 587.3-40.81.51.52 628.12 588.40.01.51.462 628.12 589.440.81.51.422 628.12 590.581.61.51.382 628.12 591.6122.41.51.342 628.12 592.6163.21.51.32 628.12 593.7203.9表 4 直升机姿态对样机 A 垂向重心测量误差影响分析（2）序号理论纵向倾角（）实际纵向倾角（）水平状态后千斤顶重量传感器读数 W3（kg）实际倾角状态后千斤顶重量传感器读数 W3（kg）测量误差（mm）误差分析0.50.32 628.12 620.2611.1当实际倾角与理论倾角差值一定时，理论纵向倾角越大垂向重心测量误差越小。当实际倾角与理论倾角差值为 0.2，理论纵向倾角为 0.5与 3.5时，垂向重心测量误差分别约为 611mm 和88mm。1.51.32 628.12 593.7203.92.52.32 628.12 567.1122.63.53.32 628.12 540.587.74.54.32 628.12 513.868.45.55.32 628.12 487.056.16.56.32 628.12 460.047.67.57.32 628.12 432.941.48.58.32 628.12 405.636.79.59.32 628.12 378.233.010.510.32 628.12 350.530.0前 千 斤 顶 坐 标：（5 850mm，1 100mm，2 000mm）；后千斤顶坐标：（11 900mm，0，2 280mm）；理论空机重心：（8 500mm，0，3 650mm）。重心测量误差分析（1）直升机姿态对重心测量结果影响分析纵向重心测量误差计算分析：GCX 误差 dtan=-1 650tan表 1 直升机姿态对样机 A 纵向重心测量误差影响分析序号 纵向倾角（）测量误差（mm）误差分析-0.2-5.8测量纵向重心时直升机未处于水平状态，存在纵向倾角 时，纵向重心误差随 增大而增大。角度小于 0.2时，样机纵向重心误差小于 6mm。-0.16-4.6-0.12-3.5-0.08-2.3-0.04-1.200.00.041.20.082.30.123.50.164.60.25.8横向重心测量误差计算分析：GCY 误差=-dtanY=-1 650tanY中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-56-航空航天大而减小。在重量传感器精度为 0.1%时，样机 A 纵横向称重重心误差分别约为 5mm 和 1mm，影响较小。结束语本文以后三点千斤顶布置方案为例，研究了直升机重心测量原理，并通过分析认为直升机称重过程中称重时直升机姿态和重量传感器的精度对直升机重心测量误差有影响。之后通过控制变量法开展了直升机姿态以及重量传感器精度对重心测量结果的定量影响分析。最后以样机 A 为例开展了直升机误差分析，得出了直升机姿态对样机 A 纵横向重心测量结果影响较小、对垂向重心测量结果影响较大以及可通过增加三维称重时纵向理论倾角的方法减小垂向重心误差的结论。后续在直升机设计过程中可应用本文提供方法开展直升机称重误差分析，并针对新型直升机垂向重心测量需求开展增大直升机顶起时纵向姿态可行性研究，以期达到减小垂向重心测量误差的目的。表 2 直升机姿态对样机 A 横向重心测量误差影响分析序号 横向倾角（）测量误差（mm）误差分析-0.25.8测量横向重心时直升机未处于水平状态，存在横向倾角 时，横向重心误差随 增大而增大。角度小于 0.2时，样机纵向重心误差小于 6mm。-0.164.6-0.123.5-0.082.3-0.041.200.00.04-1.20.08-2.30.12-3.50.16-4.60.2-5.8垂向重心测量误差计算分析：（2）电子秤精度对重心测量结果的影响小结通过样机计算分析可得出：样机 A 直升机姿态误差对直升机纵横向重心测量误差影响都较小，姿态误差小于 0.2时，纵横向重心误差小于6mm。样机 A 直升机姿态误差对直升机垂向重心测量误差影响较大，在理论倾角为 1.5、姿态误差 0.2时，垂向重心测量误差约 204mm。当实际倾角与理论倾角差值为 0.2，理论纵向倾角为 0.5与 3.5时，垂向重心测量误差分别约为 611mm 和 88mm，垂向重心测量误差随理论倾角的增表 5 电子秤精度对样机 A 纵向重心测量误差影响分析序号精度W3 误差G 误差测量误差误差分析0.1%4-24.9电子秤精度为 0.1%时，纵向重心误差最大约为 5mm。0.2%8-49.80.3%12-614.80.4%16-819.70.5%20-1024.6说明：样机 A 前千斤顶点选用 3T 量程秤、后千斤顶点选用 4T 量程秤。表 6 重量传感器精度对样机 A 纵向重心测量误差影响分析序号精度W1 误差W2 误差G 误差测量误差误差分析0.1%3-3-41.1重量传感器精度为 0.1%时，横向重心误差最大约为 1mm。0.2%6-6-82.20.3%9-9-123.30.4%12-12-164.40.5%15-15-205.5说明：样机 A 前千斤顶点选用 3T 量程秤、后千斤顶点选用 4T 量程秤。图 4 直升机姿态对样机 A 垂向重心测量影响分析