Cessna172飞机水平测量技术研究

易思云 龙小辉 陈霄阳

（1.中国民航飞行学院飞机修理厂，四川 德阳 618300；2.中国民航飞行学院机务处，四川 德阳 618300）

0 引言

Cessna172飞机是美国塞斯纳飞机公司生产的单发四座上单翼多用途飞机，是我国目前飞行训练的主力机种之一，使用频率和强度非常高。在我国Cessna 172飞机主要是作为初级教练机使用，而作为初级教练机使用的属性，其必然会存在超限飞行、重着陆或其他偶发事件引起的过载现象，这些过载事件会导致机翼、机身、尾翼等机体结构件产生一定程度的永久变形，当变形达到某一特定程度后，必定会明显影响飞机的飞行性能和操纵性能，严重时甚至会危及飞行安全。此外，在Cessna172飞机重大结构损伤修复完成后，需对修复后飞机的机身、机翼、尾翼等重要结构的形面变化或相对位置变化进行测量和控制，以保证飞机保持应有的飞行性能和操纵性能。据了解，某飞行学院的Cessna172机群已普遍老龄化，部分飞机的飞行小时数超过18000h，而因巨大的飞行强度和超长的飞行时间，飞机防火墙、机翼隔框、机翼连接点、尾翼等关键部位可能会产生一定程度的变形。如何对进行飞机结构检修的飞机和老龄化飞机开展水平测量，以评估和控制飞机重要部位的变形情况，保证飞机应有的飞行性能和操纵性能，已成为当前该机群亟待解决的重要课题。

1 国内Cessna172飞机水平测量现状

Cessna172飞机维护手册（AMM）[1]中没有水平测量方法和标准，美国塞斯纳飞机公司或国内外其他飞机使用单位也没有评估和判断Cessna172飞机结构变形的科学有效的方法。对于在结构大修和损伤修复时进行水平测量，可以采用传统测量方法[2]，也可以采用目前大型飞机水平测量所使用的常规水平测量方法和非常规水平测量方法[3]。Cessna172飞机传统测量方法是使用机翼千斤顶、机翼托架、气泡水平仪将飞机顶平，再使用水平仪、卷尺等简单的工具进行尺寸测量和目视观察，以判定机身、机翼、安定面等结构的变形情况，未建立一套科学、有效的水平测量技术体系，无法科学、客观地制定损伤修复方案，无法准确评估与控制飞行性能和操纵性能。

2 测量系统说明

文献[4]对激光跟踪仪的组成和功能进行了介绍，激光跟踪仪具有高精度、远程控制、自动目标搜索和跟踪的优点。文献[5]指出了Leica AT403型激光跟踪仪应用在Cessna172飞机水平测量中的具体方法，即利用海克斯康Leica AT403型激光跟踪仪搭配B-Probe进行测量数据采集，布置转站点，利用Poly Works软件将不同测量位置的测量点数据拟合在一个坐标系里面，并完成测量数据的存储、分析与处理。

首先选取合适的测量位置，利用激光跟踪仪远程控制、自动目标搜索和跟踪的特点，对飞机一侧的测量点进行连续测量。然后布置转站点，用反射球测量转站点坐标，利用Poly Works软件实现激光跟踪仪的转站，将左右测量点的数据都拟合在一个空间坐标系中，完成飞机另一侧各测量点的测量，测量界面如图1所示。利用Poly Works软件对各测量点坐标数据进行处理、输出，对测量数据进行后期处理，得到能直观表现Cessna172飞机机翼、尾翼、机身等形面状况的特征参数，实现对Cessna172飞机结构变形情况的准确评估。

图1 Cessna172飞机水平测量界面

3 Cessna172飞机水平测量方法

3.1 测量坐标系的选定

选取机身门框前后两个隔框上的舱门固定点为测量基准点，以前隔框处门框铰链上的安装螺钉头（左点a，右点b，O′为ab中点）和后隔框门闩上的固定螺钉头（左点u，右点v，O为uv中点）为基准点。X轴：以O为坐标原点，OO′沿机头方向为X轴正向；Y轴：以O为坐标原点，Ou为Y轴正向，Ov为Y轴负向；Z轴：按右手定则建立Z轴，则以O为坐标原点，垂直于XOY平面向上为Z轴正向，反之则为负向。坐标系示意图如图2所示。

3.2 测量点的选定

（1）为了准确测量各形面的变形，有如下测量点选取原则：

1）具有代表性的机翼翼肋与梁相交处的铆钉中心点；

2）具有代表性的尾翼翼肋与梁相交处的铆钉中心点；

3）机身重要隔框具有代表性的铆钉中心点；

4）为便于测量以减少误差，机翼上选点均在机翼下表面，水平尾翼选点均在尾翼上表面。

（2）按照以上原则，总共选取23个测量点，如图2所示。

图2 坐标系和测量点示意图

1）机身测量点：在机身舱门前隔框、舱门后隔框、机身FS228.68站位隔框和机身背鳍，共选取7个具有代表性的铆钉作为测量点，分别记为a点、b点、c点、d点、u点、v点、p点。机身站位如图3所示。

2）机翼测量点：选取左右机翼208.00WS、100.00WS站位处翼肋分别与机翼前后翼梁相交处的铆钉作为测量点。左右机翼共8个测量点，分别为e点、f点、g点、h点、i点、j点、k点、l点。机翼站位如图3所示。

图3 Cessna172飞机站位

3）水平尾翼测量点：选取水平尾翼前梁、后梁与外侧翼肋相交处的铆钉作为测量点。共4个测量点，分别为m点、n点、q点、r点。

4）垂直尾翼测量点：选取垂直尾翼前梁、后梁上部铆钉作为测量点。共4个测量点，分别为s点、t点、s′点、t′点。

3.3 水平测量数据采集

先在飞机一侧完成12个测量点的测量数据采集工作。在对整机进行测量时，在飞机单侧不能进行全部的数据采集，因此需要把激光跟踪仪转站到另一侧，继续完成11个测量点的测量数据采集工作。为了将两侧的测量数据在一个坐标系中展现，需要在两侧分别测量转站点。使用Poly Works软件，利用转站点的坐标，将两侧的测量点坐标数据拟合到一个空间坐标系中。

3.4 确定测量要素的特征参数

测量23个点得出它们的三维坐标，为直观地表现Cessna172飞机结构状况，需要将点坐标转换为角度数据和对称性数据。

3.4.1 机翼安装角

机翼安装角是机翼翼根弦线与机身轴线之间的夹角。Cessna172飞机机翼内侧部分在机翼站位39.00WS至71.125WS处有结构油箱，因此机翼内侧部分结构强度很大，不会产生变形的情况。测量100.50WS处前后翼梁与翼肋交点的数据，利用前后交点的Z轴和X轴坐标按照下式计算的数据，定义为Cessna172飞机左右机翼安装角。

（1）左机翼：ik与XOY平面夹角，用表征；

（2）右机翼：jl与XOY平面夹角，用表征。

3.4.2 机翼上反角

Cessna172飞机机翼安装是从根部向外，有一个上翘的角度，这个上翘的角度就叫上反角。测量机翼前梁与100.50WS（翼中）、190.00WS（翼尖）翼肋交点的数据，利用翼中和翼尖Z轴和Y轴坐标按照下式计算的数据，定义为Cessna172飞机左右机翼上反角。

（1）左机翼：ei与XOY平面夹角，用表征；

（2）右机翼：fj与XOY平面夹角，用表征。

3.4.3 垂尾安装角

垂尾安装角是垂直尾翼弦线与机身轴线之间的夹角。测量垂尾前后梁与最上端尾翼隔框在左右两侧交点的坐标数据，计算得到垂尾弦线与机身轴线之间的夹角，用表征。

3.4.4 垂尾倾斜角

垂尾倾斜角是垂直尾翼在Z轴方向的倾斜角。测量垂尾前梁与最上端尾翼隔框在左右两侧交点的坐标数据，测量FS228.68隔框左右两边对应的两点坐标数据。对比计算这两组坐标数据，计算出垂尾倾斜角，用表征。

3.4.5 平尾安装角

平尾安装角是水平尾翼弦线与机身轴线之间的夹角。测量水平尾翼前后梁与外侧平尾隔框交点的坐标数据，按照下式计算得到平尾弦线与机身X轴线之间的夹角。

3.4.6 平尾上反角

Cessna172飞机平尾安装是从根部向外，有一个上翘的角度，这个上翘的角度就叫上反角。测量水平尾翼后梁与外侧平尾隔框交点的坐标数据，按照下式计算得到平尾与机身Y轴线之间的夹角。

3.4.7 机翼和平尾的对称性

机翼对称性是对左右机翼在X、Y、Z方向是否对称、对称是否改变的评估，测量左右机翼后梁与机翼外侧翼肋的交点，对比左右两点在三个方向的差值，得出机翼的对称性。平尾对称性是对左右水平尾翼在X、Y、Z方向是否对称、对称是否改变的评估，测量左右水平尾翼后梁与外侧隔框的交点，对比左右两点在三个方向的差值，得出平尾的对称性。

（1）机翼对称性：用|Xh-Xg|、|Yh-Yg|、|Zh-Zg|表征；

（2）水平尾翼对称性：用|Xr-Xq|、|Yr-Yq|、|Zr-Zq|表征。

3.4.8 机翼的变形

（1）机翼的弯曲变形：机翼的弯曲变形是对机翼在Y轴方向是否存在形变、形变程度的评估，将机翼前后梁与机翼外侧翼肋交点的Z轴数据去平均数来表征机翼的弯曲变形情况。

1）左机翼：用（Ze+Zg）/2表征；2）右机翼：用（Zf+Zh）/2表征。

（2）机翼的扭曲变形：机翼的扭曲变形是对机翼是否存在扭转形变的评估。利用机翼前后梁与机翼100.50WS翼肋的交点坐标，以及机翼前后梁与机翼外侧翼肋的交点坐标，计算100.50WS机翼弦线和翼尖机翼弦线与X轴的角度，再计算它们的差值，得到机翼的扭曲变形情况。

3.4.9 机身的变形

（1）机身的弯曲变形：机身的弯曲变形是对飞机分别在Z轴方向和Y轴方向变形情况的评估。即计算FS228.68左右对称的两点在Z轴方向的平均数，来表征机身在XOZ平面的形变数据；计算FS228.68左右对称的两点在Y轴方向的平均数，来表征机身在XOY平面的形变数据。

1）机体坐标系：XOZ平面，用|（Zd+Zc）/2|表征；2）机体坐标系：XOY平面，用|（Yd+Yc）/2|表征。

（2）机身的扭曲变形：机身的扭曲变形是对机身是否存在扭转形变的评估。利用FS228.68左右对称的两点的坐标，计算其连线与XOY平面的夹角得出机身的扭曲变形情况，用表征。

3.5 Cessna172飞机水平测量数据处理

在Poly Works软件中对测量数据的输出格式进行调整，使其输出数据更加简洁。为方便将Poly Works软件输出的大量测量点坐标数据样本计算为能直观表现飞机状态的特征参数，将3.4中的特征参数计算公式编写成一款专用计算软件，计算软件界面如图4所示。将测量点坐标数据输入该计算软件，得出所需的表征飞机状态的特征参数。

图4 水平测量专用计算软件

4 结语

应用验证得知，该Cessna172飞机水平测量方案具有更高的测量精度，比传统测量方法更科学、有效，并能节约50%的时间，在对Cessna172飞机进行重大结构损伤修复和老龄飞机的机体形面变形情况的判定时具有重要作用，可以有效保证飞机应有的飞行性能和操纵性能，对保障Cessna172机群飞行安全具有重要意义。此外，本研究成果可为开展其他机型水平测量技术研究提供理论借鉴。