CN118090045A - 一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，包括：根据飞机所受重力与前轮所受支撑力相对于后轮轴的中心线力矩平衡，计算飞机重心的纵向位置，根据所述飞机的前轮及两侧后轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算飞机重心横向位置，其中所述重心投影点为所述飞机重心在水平面上的投影点；举升所述前轮，并通过举升角的正切值和所述后轮轴线的载荷变化确定所述飞机重心的高度。该方法操作简单，无需复杂的测量设备，成本低，且测量精度高。

Description

一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，特别是涉及一种飞机重心测量方法。

背景技术

飞行中飞机发生的各种转动都是围绕重心进行的。飞机各部件、燃油、任务载荷、乘员等重量合力的着力点，叫做飞机重心。飞机重心的位置，直接影响飞行的稳定性、操纵性和地面滑跑的稳定性。保障飞机重心在合理的设计范围内，是保障飞机飞行安全以及使用寿命的关键因素之一。飞机重心测量是各种各类飞机首飞前的一项重要地面试验，因此飞机重心位置的准确测量对整个飞机设计、飞机重量布置以及安全性具有重要作用。

现有的飞机重心测量方法中，需要使用专门的测量设备，并且其测量方法都较为复杂、成本高、效率低、耗时长，且测量准确度较低，严重影响飞机生产效率。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种简单、成本低和测量准确的飞机重心测量方法。

一种飞机重心测量方法，包括：

根据飞机所受重力与前轮所受支撑力相对于后轮轴线力矩平衡，计算飞机重心的纵向位置。

根据所述飞机的前轮以及后两侧机轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算飞机重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述飞机重心在水平面上的投影点；

举升所述前轮，并通过举升角的正切值和所述后轮轴线的载荷变化确定所述飞机重心的高度。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中，所述举升前轮，并通过举升角的正切值和所述飞机后轮轴线的轴荷变化确定所述飞机重心高度的步骤包括：

在一定角度范围内逐步举升所述飞机前轮，并记录每个角度下所述飞机前轮举升角的正切值和所述飞机后轮轴线轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程：y＝A·x+B，其中A和B为轴荷直线方程中的常数，y为后轮轴荷，x为举升角正切值；

根据所述飞机过所述飞机重心的重力相对于所述飞机前轮的支撑点力矩平衡，确定所述飞机重心的高度与所述飞机后轮轴线的轴荷关系式，并根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述飞机重心的高度。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中，所述飞机重心的高度与所述飞机后轮轴线的轴荷关系式为：

其中，Z_cg为所述飞机重心的高度，l为所述前轮和后轮轴线之间的距离，m_l为举升飞机前轮时后轮轴线的轴荷，m′_l水平放置时后轮轴线的轴荷，mass为飞机总质量，r为所述飞机后轮净负荷半径。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中，根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述飞机重心的步骤包括：

根据所述关系式和所述轴荷直线方程，确定飞机重心高度计算公式为：

其中，A和B为所述轴荷直线方程中的常数；

根据所述飞机重心高度值的唯一性，对所述飞机重心高度计算公式进行处理，得到处理后的飞机重心高度计算公式：

其中，k为处理后的轴荷直线方程的斜率。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中所述飞机重心的纵向位置的计算公式为：

其中，X_cg为重心纵向位置，m′_l为飞机水平放置时后轮轴线的载荷，mass为飞机总质量，l为所述前轮和后轮轴线之间的距离。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中，所述飞机重心的横向位置计算公式为：

其中，b为后轮轮距，m₃与m₂分别为后轮两个轮的轮荷，mass为飞机总质量。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中所述角度范围为5～10°。

进一步的，上述飞机重心测量方法，其中，举升所述飞机前轮时，举升台的举升平面保持水平。

本发明实施例中，通过飞机水平静止时力矩平衡原理得到飞机重心纵向和横向位置，并通过测量飞机前轮举升角的正切值及对应的后轮轴线轴荷的变化情况计算出飞机重心高度值。其操作简单，无需复杂的测量设备，成本低，且测量精准度高。

附图说明

图1为飞机前后轮示意图

图2为飞机重心横向位置受力分析示意图

图3为飞机处于水平位置时的示意图

图4为飞机前轮举升γ时的示意图

图5为本发明飞机重心测量方法的结构框图

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明的技术方案进一步说明。

参阅图1，为本发明飞机前后轮位置示意图，本发明以前三点式起落架飞机进行说明，前轮位于飞机重心之前，后轮位于飞机重心之后，将飞机设为刚体，重心位置不会随飞机的轴荷转移而变化。

步骤S1，根据飞机所受重力与前轮所受支撑力相对于后轮轴线力矩平衡，计算飞机重心的纵向位置。

飞机静止时，各处受力平衡，可根据力矩平衡原理得到飞机重心的纵向位置和横向位置。例如，本实施例中，飞机水平放置时，飞机所受重力与后轮轴线所受支撑力相对飞机前轮力矩平衡，根据力矩平衡原理可知：

其中，X_cg为重心纵向位置，m_l为飞机水平放置时后轮轴线的载荷，mass为飞机总质量，l为所述前轮和后轮轴线之间的距离。

步骤S2:，根据飞机后轮两侧所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算飞机重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述飞机重心在水平面上的投影点。

具体的，如图2所示，假设飞机重心的水平投影为G，G到飞机纵向中心平面的距离为Ycg,飞机静止时，左侧后轮、右侧后轮及前轮所受地面支撑力相对于G点力矩平衡，由此可知：

其中，b为后轮轮距，m₁、m₂、m₃分别为前轮、右后轮、左后轮轮荷。进一步推导得到飞机重心的横向位置计算公式为：

其中，b为后轮轮距，m₃与m₂分别为后轮两个轮的轮荷，mass为飞机总质量。

具体的，飞机的轮荷、飞机总质量、轮距可以从已有的基本规格参数获取，也可以根据国军标进行测量得到。

步骤S3，举升所述飞机前轮，并通过举升角的正切值和后轮轴线轴荷的变化确定所述飞机重心的高度。

下面以举升飞机前轮进行具体说明。如图3所示，当飞机处于水平静止状态时，飞机重心高度Z_cg为飞机重心G到轮轴中心线对应平面的距离Z与后轮静负荷半径r之和。其中后轮静负荷半径为后轮处于静止状态时，轮胎在垂直负荷作用下，轮轴重心至支撑平面的垂直距离，即，Z_cg＝Z+r

具体测量时，r可为两个后轮的静负荷半径的平均值。

如图4所示，当前轮被举升至γ角时，过飞机重心G点的重力(mass·g)相对于前轮支撑点力矩平衡。因此，根据力矩平衡原理可得到：

[(Z·tanγ+L₁)·sinγ]·mass·g＝l·sinγ·m_l·g

其中，m_l为举升飞机前轮时后轮轴线的轴荷，L₁为前轮轮心与飞机重心G点在水平面上的投影距离，也即飞机重心的纵向位置。

因此可得飞机前轮举升时，飞机重心的高度与后轮轴线之间的关系式为：

其中，l为前轮与后轮轴线之间的距离，m_l为举升飞机前轮时后轮轴线的轴荷，m′_l水平放置时后轮轴线的轴荷，mass为飞机总质量。

测量过程中，后轮轴线的轴荷可通过轴荷仪进行测量，且飞机的最小举升角γ根据轴荷仪的精度进行确定。

本实施例中，在飞机重心的高度测量时，在一定角度范围内逐步举升前轮，并记录每个角度下前轮举升角的正切值和后轮轴线的轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程；

然后根据飞机重心的高度与后轮轴线的轴荷关系式以及轴荷直线方程计算飞机重心的高度。

例如，在实际测量中，依次将前轮举升2°、4°、6°、8°、10°，并分别记录每一举升角度下的后轮轴线的轴荷以及举升角度γ的正切值。根据记录的轴荷和举升角正切值拟合出曲线图，并得到曲线方程式。数据处理得到后轮轴荷与举升角正切值之间呈线性关系，即轴荷直线方程为：

y＝A·x+B

式中，y为后轮轴荷，A,B为常数，x为举升角正切值。

将上式带入上式即可得到飞机重心高度计算公式为：

其中，k为处理后的轴荷直线方程的斜率，根据该式可知，飞机的重心高度有唯一性。

本实施例中应用力矩平衡原理得到飞机重心纵向和横向位置，并通过测量举升角正切值及其对应的轴荷变化情况计算出飞机重心高度值。其操作简单，无需复杂的测量设备，成本较低，且测量准确度高。

请参阅图5为本发明实施例中的飞机重心测量方法步骤。

步骤S1，根据飞机所受重力与前轮所受支撑力相对于后轮轴线力矩平衡，计算飞机重心的纵向位置。

步骤S2，根据两侧后轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算飞机重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述飞机重心在水平面上的投影点。

步骤S3，在一定角度范围内逐步举升所述飞机前轮，并记录每个角度下所述前轮举升角的正切值和后轮轴线轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程。

其中，后轮轴荷y与前轮举升角的正切值x之间的关系式为：y＝A·x+B。

步骤S4，根据所述飞机过所述飞机重心的重力相对于所述飞机前轮的支撑点力矩平衡，得到所述飞机重心的高度与所述飞机后轮轴线的轴荷关系式。

步骤S5，根据所述关系式和所述轴荷直线方程，得到飞机重心高度计算公式。

上述步骤中，飞机重心的高度与后轮轴线轴荷的关系式为：

其中，l为前轮与后轮轴线之间的距离，m_l为举升飞机前轮时后轮轴线的轴荷，m′_l水平放置时后轮轴线的轴荷，mass为飞机总质量，r为所述飞机后轮净负荷半径。

将y带入飞机重心高度与后轮轴荷的关系式中，得到飞机重心高度计算公式：

步骤S6，根据飞机重心重心高度值唯一性，对飞机重心高度计算公式进行处理，并根据处理后的飞机重心高度计算公式和轴荷直线方程计算飞机重心高度。

Claims (8)

1.一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，包括：

根据飞机所受重力与前轮所受支撑力相对于后轮轴线力矩平衡，计算飞机重心的纵向位置；

根据飞机的前轮以及后两侧机轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算飞机重心的横向位置，其中重心投影点为飞机重心在水平面上的投影点；

举升前轮，并通过举升角的正切值和后轮轴线的载荷变化确定飞机重心的高度。

2.如权利要求1所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，举升前轮，并通过举升角的正切值和后轮轴线的载荷变化确定飞机重心的高度的步骤包括：

在一定角度范围内逐步举升前轮，并记录每个角度下前轮举升角的正切值和后轮轴线的载荷，并将记录的正切值和载荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程：

y＝A·x+B，其中A和B为轴荷直线方程中的常数，y为后轮轴荷，x为举升角正切值；

根据飞机过飞机重心的重力相对于前轮的支撑点力矩平衡，确定飞机重心的高度与后轮轴线的轴荷的关系式，并根据关系式和轴荷直线方程计算飞机重心的高度。

3.如权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，飞机重心的高度与后轮轴线的轴荷的关系式为：

其中，Z_cg为飞机重心的高度，l为前轮和后轮轴线之间的距离，m_l为举升飞机前轮时后轮轴线的轴荷，m^′ _l水平放置时后轮轴线的轴荷，mass为飞机总质量，r为飞机后轮净负荷半径。

4.如权利要求3所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，根据关系式和轴荷直线方程计算飞机重心的高度的步骤包括：

根据关系式和轴荷直线方程，确定飞机重心高度计算公式为：

其中，A和B为轴荷直线方程中的常数；

根据飞机重心高度值的唯一性，对飞机重心高度计算公式进行处理，得到处理后的飞机重心高度计算公式：

其中，k为处理后的轴荷直线方程的斜率。

5.如权利要求1所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，飞机重心的纵向位置的计算公式为：

其中，X_cg为重心纵向位置，m^′ _l为飞机水平放置时后轮轴线的载荷，mass为飞机总质量，l为前轮和后轮轴线之间的距离。

6.如权利要求1所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，飞机重心的横向位置的计算公式为：

其中，b为后轮轮距，m₃与m₂分别为后轮两个轮的轮荷，mass为飞机总质量。

7.如权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，举升前轮所述的角度范围为5～10°。

8.如权利要求2所述的一种基于力矩平衡原理的飞机重心测量方法，其特征在于，举升飞机前轮时，举升台的举升平面保持水平。