民用飞机操纵面作动器动刚度和动阻尼试验研究

Experimental study on dynamic stiffness and dynamic damping of actuators for civil aircraft control surfaces

摘要

依据民用飞机操纵面作动器动刚度和动阻尼适航符合性要求，从满足飞机颤振稳定性需求的角度，研究了某民用大型涡桨飞机操纵面作动器动刚度和动阻尼设计要求，论述了作动器动刚度和动阻尼验证试验装置的组成以及试验中试验参数的选取原则。以某大型涡桨飞机副翼作动器为例，论述了副翼作动器动刚度和动阻尼试验方法和结果，并提出了作动器动阻尼试验结果外推方法，以表明作动器在极端严酷的故障情况下亦满足适航要求。

Abstract

Based on the airworthiness compliance requirements for the control surface actuator dynamic stiffness and dynamic damping of civil aircraft，and from the perspective of meeting aircraft flutter stability requirements，this study explores the design requirements for the dynamic stiffness and dynamic damping of control surface actuators of a large civil turboprop aircraft. discusses the composition of the actuator dynamic stiffness and dynamic damping verification test device，as well as the principles for selecting test parameters during the experiment. Taking the aileron actuator of a large turboprop aircraft as an example，the study discusses the methods and results of testing actuator dynamic stiffness and dynamic damping，and proposes a method for extrapolating actuator dynamic damping test results，so as to demonstrate that the actuator meets airworthiness requirements even under extremely harsh fault conditions.

关键词

动刚度 / 动阻尼 / 操纵系统 / 气动弹性 / 颤振

Key words

dynamic stiffness / dynamic damping / control system / aeroelasticity / flutter

参考文献

[1] 刘小川, 马君峰, 白春玉, 等. 航空结构动力学研究的进展与展望[J]. 应用力学学报, 2022， 39（3）: 409-436.

[2] LIU Xiaochuan， MA Junfeng， BAI Chunyu， et al. Progress and prospect of aviation structural dynamics research[J]. Chinese journal of applied mechanics, 2022， 39（3）: 409-436（in Chinese）.

[3] 李益萱, 李凯翔, 白春玉, 等. 民用客机的振动传递路径试验及分析[J]. 应用力学学报, 2025， 42（6）: 1237-1245.

[4] LI Yixuan， LI Kaixiang， BAI Chunyu， et al. Vibration transfer path test and analysis of the passenger aircraft[J]. Chinese journal of applied mechanics, 2025， 42（6）: 1237-1245（in Chinese）.

[5] 中国人民解放军总装备部. 军用飞机结构强度规范第7部分:气动弹性:GJB 67.7A-2008[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部， 2008.

[6] 郭润江, 霍应元. 大型飞机操纵面颤振设计考虑[C]// 第十一届全国空气弹性学术交流会论文集. 北京: 中国空气动力学会空气弹性力学专业委员会， 2009: 525-528.

[7] LYSHEVSKI S E. Electromechanical flight actuators for advanced flight vehicles[J]. IEEE transactions on aerospace and electronic systems, 1999， 35（2）: 511-518.

[8] 赵永辉. 气动弹性力学与控制[M]. 北京: 科学出版社， 2007.

[9] 张亚娟, 王彬文, 吴敬涛, 等. 服役飞机极端环境应力事故树分析方法[J]. 应用力学学报, 2023， 40（1）: 34-39.

[10] ZHANG Yajuan， WANG Binwen， WU Jingtao， et al. Fault tree analysis method for extreme environmental stress of aircraft in service[J]. Chinese journal of applied mechanics, 2023， 40（1）: 34-39（in Chinese）.

[11] 中国民用航空局. 中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4[S]. 北京: 中国民用航空局 ， 2011.

[12] Federal Aviation Administration. Policy for certification and continued airworthiness of unbalanced and mass-balanced control surfaces[M]. [S.l.]:[s.n.]， 2006.

[13] 程芳, 黄国宁, 郭润江. 操纵面操纵系统刚度设计研究[J]. 航空科学技术, 2017， 28（6）: 30-33.

[14] CHENG Fang， HUANG Guoning， GUO Runjiang. Control system stiffness design and analysis for control surface[J]. Aeronautical science & technology, 2017， 28（6）: 30-33（in Chinese）.

[15] YANG N， WU Z G， YANG C. Structural nonlinear flutter characteristics analysis for an actuator-fin system with dynamic stiffness[J]. Chinese journal of aeronautics, 2011， 24（5）: 590-599.

[16] SHIN W H， LEE I， SHIN Y S， et al. Nonlinear aeroelastic analysis for a control fin with an actuator[J]. Journal of aircraft, 2007， 44（2）: 597-605.

[17] LAYTON D S， GAINES V G. F-22 actuator dynamic stiffness（impedance）testing[C]// 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics，and Materials Conference. Reston，VA，USA:AIAA， 2007:AIAA 2007-1792.

[18] 胡海岩. 机械振动基础[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2005.

[19] 符芳涌. 民用液压舵机动刚度仿真与分析[J]. 民用飞机设计与研究, 2012（增刊1）: 131-135.

[20] FU Fangyong. Simulation and analysis of hydraulic actuator dynamic stiffness of civil aircraft[J]. Civil aircraft design & research, 2012（S1）: 131-135（in Chinese）.

[21] 杨仕福, 周立胜, 杨荣, 等. 某大型涡桨飞机副翼振动与控制研究[J]. 装备环境工程, 2024， 21（9）: 19-25.

[22] YANG Shifu， ZHOU Lisheng， YANG Rong， et al. Research on aileron vibration and control of a large turboprop aircraft[J]. Equipment environmental engineering, 2024， 21（9）: 19-25（in Chinese）.

[23] 孙侠生. 民用飞机结构强度刚度设计与验证指南-第一册[M]. 北京: 航空工业出版社， 2012.

基金资助

工业和信息化部民用飞机专项科研资助项目(MJZ5-3N21)