葉慶龍，張紫瑞，杜秀軍

(慶安集團(tuán)有限公司 航空設(shè)備研究所，陜西 西安 710077)

國外從20世紀(jì)中期開始就對(duì)滅火飛機(jī)投水進(jìn)行研究，Macphorson在1968年根據(jù)飛機(jī)空投高度、空投速度、滅火水箱大小和水箱開門速度研制了一個(gè)水體噴灑模型，但該模型僅適用于在較低速度和高度的情況下進(jìn)行空投[1]。

我國對(duì)滅火飛機(jī)投水研究較少，李樹寬等[2]在2002年對(duì)大型直升機(jī)機(jī)載水箱灑水滅火技術(shù)進(jìn)行了探討研究，給出了機(jī)腹式灑水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。我國從2009年開始立項(xiàng)自行研制首架大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)，開創(chuàng)了國內(nèi)大型滅火飛機(jī)發(fā)展的新篇章[3]。2019年，田煜[4]采用 Euler 方法對(duì)固定翼滅火飛機(jī)的投水過程進(jìn)行了模擬，簡要分析了飛行參量對(duì)水分布特性的影響。2020年，梁孜等[5]從全機(jī)安全性分析角度出發(fā),對(duì)AG600飛機(jī)滅火型設(shè)置應(yīng)急投水功能的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)分析評(píng)估。彭冉等[6]基于水體投放的擴(kuò)散特性和工程試驗(yàn)的要求,設(shè)計(jì)了一種滅火飛機(jī)量化落水地面附著特性的測量方法。2021年，周堯明等[7]提供了一種可進(jìn)行模擬滅火飛行仿真的飛行模擬器,可精準(zhǔn)模擬水陸兩棲滅火飛機(jī)飛行全過程并展現(xiàn)滅火過程，構(gòu)建了滅火仿真評(píng)估系統(tǒng)。2021年,胡濤等[8]初步探究了水陸兩棲飛機(jī)投汲水滅火系統(tǒng)試驗(yàn)的驗(yàn)證工作，確定了系統(tǒng)功能驗(yàn)證必需的試驗(yàn)項(xiàng)目及其試驗(yàn)思路和考量因素。張睿琳等[9]對(duì)某型水陸兩棲飛機(jī)投汲水滅火系統(tǒng)適航條款進(jìn)行定性研究，探究其專用條件要求,為確定投汲水滅火系統(tǒng)適航審定基礎(chǔ)提供參考。飛機(jī)艙門鎖機(jī)構(gòu)是飛機(jī)的重要組成部分之一。吳揚(yáng)等[10]根據(jù)飛機(jī)艙門開關(guān)機(jī)構(gòu)工作時(shí)各零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，逐步推導(dǎo)得到艙門整體開關(guān)過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并在軟件中實(shí)現(xiàn)可視化。賈潔羽等[11]提出了一種提高飛機(jī)艙門鎖機(jī)構(gòu)關(guān)閉系統(tǒng)的可靠性計(jì)算效率、減少計(jì)算時(shí)間、降低艙門故障率的方法。在飛機(jī)投水過程中，若出現(xiàn)由于艙門鎖機(jī)構(gòu)前期可靠性分析不足而導(dǎo)致其非正常開啟或關(guān)閉，無法按照預(yù)期完成開關(guān)鎖功能的情況，將嚴(yán)重影響投水任務(wù)的進(jìn)行[12]。投水艙門解鎖的同步性和時(shí)間會(huì)影響水箱投水的速度，飛機(jī)重量的改變會(huì)影響滅火飛機(jī)的飛行姿態(tài)，最終影響滅火效率。因此，提高飛機(jī)解鎖艙門的同步性是提高滅火飛機(jī)滅火效率的重要環(huán)節(jié)。

為了滿足投水性能，要求每個(gè)艙門的作動(dòng)子系統(tǒng)流量不大于2.5 L/min，控制閥負(fù)載壓力超調(diào)量不超過120%，開鎖時(shí)間≤0.3 s，上鎖時(shí)間≤0.5 s。

本文采用基于有限體積法的流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent搭建水箱重力投水模型，采用AMESim 液壓庫和1D/3D機(jī)械庫聯(lián)合搭建完整投水液壓作動(dòng)系統(tǒng)[13]，該模型的搭建為水箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化提供了真實(shí)有效的仿真計(jì)算平臺(tái)。

在準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)水箱同步控制控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，討論了管路通徑、機(jī)構(gòu)控制閥主閥芯通徑、機(jī)構(gòu)控制閥阻尼孔尺寸對(duì)艙門解鎖同步性和投水時(shí)間的影響，這對(duì)于滅火飛機(jī)投水作動(dòng)系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

某型號(hào)飛機(jī)投水裝置由4個(gè)投水水箱和艙門投水作動(dòng)子系統(tǒng)組成。其中每個(gè)水箱設(shè)置兩扇投水艙門，1號(hào)、2號(hào)水箱對(duì)稱，3號(hào)、4號(hào)水箱對(duì)稱，4個(gè)水箱布局及飛機(jī)航向如圖1所示。

圖1 水箱布局及飛機(jī)航向

投水作動(dòng)子系統(tǒng)用于接收滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的投水指令，驅(qū)動(dòng)投水艙門實(shí)現(xiàn)解鎖、放下、收回、上鎖的動(dòng)作。投水作動(dòng)子系統(tǒng)由機(jī)構(gòu)作動(dòng)控制閥、機(jī)構(gòu)作動(dòng)器、收放作動(dòng)控制閥和收放作動(dòng)器組成。

投水作動(dòng)子系統(tǒng)與滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)交聯(lián)關(guān)系如圖2所示。滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)控制電磁閥通斷電，實(shí)現(xiàn)投水艙門的解鎖、放下、收起、上鎖。在應(yīng)急投水模式下，滅火任務(wù)綜合控制組件控制電磁閥的供電，發(fā)送應(yīng)急投水指令，完成應(yīng)急投水任務(wù)。

圖2 投水作動(dòng)子系統(tǒng)與滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)交聯(lián)關(guān)系

根據(jù)投水作動(dòng)系統(tǒng)的功能和同步性要求，可設(shè)計(jì)2種架構(gòu)。

投水作動(dòng)子系統(tǒng)架構(gòu)一如圖3所示。該架構(gòu)采用1閥控制2作動(dòng)器的方式，投水作動(dòng)子系統(tǒng)由兩系液壓源供壓，中側(cè)液壓系統(tǒng)控制2#、4#水箱內(nèi)外艙門，右側(cè)液壓系統(tǒng)控制1#、3#水箱內(nèi)外艙門。每個(gè)艙門配置一個(gè)機(jī)構(gòu)作動(dòng)器和一個(gè)收放作動(dòng)器，每個(gè)水箱內(nèi)外艙門作動(dòng)器共用一套作動(dòng)系統(tǒng)。此類架構(gòu)可簡化液壓系統(tǒng)的組成，但閥所控制的2個(gè)作動(dòng)筒難以實(shí)現(xiàn)同步控制，需在液壓閥負(fù)載口到兩個(gè)作動(dòng)筒間接入控制流量的分流器或調(diào)速閥來保證作動(dòng)系統(tǒng)的同步性。

圖3 投水作動(dòng)子系統(tǒng)架構(gòu)一

投水作動(dòng)子系統(tǒng)架構(gòu)二如圖4所示。中側(cè)液壓系統(tǒng)為外側(cè)投水艙門的作動(dòng)系統(tǒng)供油，右側(cè)液壓系統(tǒng)為內(nèi)側(cè)投水艙門作動(dòng)系統(tǒng)供油。每個(gè)艙門分別配置2套機(jī)構(gòu)作動(dòng)系統(tǒng)和收放作動(dòng)系統(tǒng)來控制艙門的開鎖、上鎖和收起。為了保證同步性，在每個(gè)控制閥口需安裝節(jié)流裝置調(diào)節(jié)作動(dòng)系統(tǒng)的同步性。

圖4 投水作動(dòng)子系統(tǒng)架構(gòu)二

基于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)的考慮，采用架構(gòu)二作為投水同步控制系統(tǒng)方案框架。

2 艙門鎖機(jī)構(gòu)作動(dòng)系統(tǒng)模型搭建

2.1 艙門鎖鉤結(jié)構(gòu)模型搭建

艙門鎖機(jī)構(gòu)由機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒、機(jī)械傳動(dòng)部分和3個(gè)鎖鉤組成(大艙門包含4個(gè)鎖鉤)。鎖機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)如圖5所示，固定軸固定在水箱側(cè)壁上，只能繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)，鎖鉤的中部鉸接在艙門隔板上，當(dāng)連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，鎖鉤可以實(shí)現(xiàn)上鎖或解鎖。

圖5 鎖機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒的伸出腔通高壓油而縮進(jìn)腔通回油時(shí)，活塞桿向外伸長，帶動(dòng)固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)解鎖；當(dāng)機(jī)構(gòu)作動(dòng)器的縮進(jìn)腔通高壓油而伸出腔通回油時(shí)，活塞桿向內(nèi)縮進(jìn)，艙門鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上鎖。固定軸上有一復(fù)位彈簧，彈簧在開鎖時(shí)被迫伸長，對(duì)固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼效果，防止沖擊過大，而在上鎖時(shí)，彈簧收回，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖到位。

在AMESim中聯(lián)合液壓庫和3D Mechanical機(jī)械庫，根據(jù)鎖機(jī)構(gòu)各組成部分連接關(guān)系及受力情況，搭建了圖6所示的鎖機(jī)構(gòu)3D模型。

圖6 AMESim鎖機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 鎖機(jī)構(gòu)控制閥模型搭建

根據(jù)機(jī)構(gòu)控制閥工作原理,在AMESim中采用液壓庫和1D Mechanical結(jié)構(gòu)庫聯(lián)合建模得到鎖機(jī)構(gòu)控制閥AMESim模型，如圖7所示。

圖7 鎖機(jī)構(gòu)控制閥AMESim模型

為了滿足開鎖≤0.3 s、上鎖≤0.5 s的指標(biāo)，在閥的2個(gè)負(fù)載口分別設(shè)置單向節(jié)流孔用于調(diào)節(jié)作動(dòng)器的同步性。

2.3 艙門鎖機(jī)構(gòu)開鎖/上鎖仿真模型

根據(jù)水箱分布圖，1#、2#水箱對(duì)稱，3#、4#水箱對(duì)稱，共4個(gè)水箱，8個(gè)艙門，8套完整的解鎖、開鎖作動(dòng)子系統(tǒng)。整個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)模型包括中液壓源和右液壓源的模型，其中泵模型采用與實(shí)際一致的壓力流量特性。管路模型根據(jù)真實(shí)管路通徑和長度搭建，考慮管路中液容、液阻對(duì)響應(yīng)特性的影響。8個(gè)艙門的解鎖、開鎖作動(dòng)子系統(tǒng)包括機(jī)構(gòu)控制閥、機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒、解鎖和上鎖機(jī)械傳動(dòng)部分，并考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣量和結(jié)構(gòu)連接部分的摩擦、鎖和艙門插銷之間的摩擦、艙門和水重力的影響。4水箱鎖機(jī)構(gòu)AMESim仿真模型如圖8所示。

圖8 4水箱鎖機(jī)構(gòu)AMESim模型

3 開鎖同步性影響因素分析

液壓源組成結(jié)構(gòu)的不同會(huì)導(dǎo)致供油流量的差異，從而影響解鎖同步性。但油源系統(tǒng)不僅為投水艙門供壓，而且為升降舵、副翼、擾流片、汲水斗等供壓，因此在考慮同步性影響因素時(shí)暫不改變液壓源的組成結(jié)構(gòu)。

8個(gè)解鎖作動(dòng)系統(tǒng)從油源到機(jī)構(gòu)控制閥、從機(jī)構(gòu)控制閥到機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒的液壓管路長度和管徑均不相同，導(dǎo)致液阻存在差異，影響了解鎖時(shí)間，從而影響解鎖同步性。

為了保證機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載流量不超過2.5 L/min，壓力超調(diào)量不超過120%，在機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載口設(shè)置節(jié)流孔，節(jié)流孔的孔徑尺寸會(huì)改變解鎖時(shí)間，從而影響8個(gè)艙門解鎖同步性。

由于液壓源、鎖結(jié)構(gòu)、液壓管路的長度均已固定，而8個(gè)機(jī)構(gòu)作動(dòng)筒尺寸均相同，因此主要討論機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載管路的通徑、控制閥主閥的通徑和機(jī)構(gòu)控制閥阻尼孔尺寸對(duì)艙門解鎖同步性的影響。

4 仿真分析

投水作動(dòng)子系統(tǒng)時(shí)序指標(biāo)要求為：上鎖時(shí)間為0.3(1±5%)s，開鎖時(shí)間需為0.5(1±5%)s，根據(jù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)節(jié)流孔參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)流孔參數(shù)表

機(jī)構(gòu)控制閥時(shí)序設(shè)計(jì)為：通油0.1 s后，閥芯左側(cè)為高壓油，右側(cè)為低壓油，閥芯右移，作動(dòng)筒左側(cè)通高壓油，右側(cè)通低壓油，鎖鉤打開。一直持續(xù)0.4 s后，電磁換向，閥芯左側(cè)通低壓油，右側(cè)通高壓油，閥芯左移，作動(dòng)筒右側(cè)通高壓油，左側(cè)通低壓油，鎖鉤上鎖。

仿真得到1#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化如圖9所示。

圖9 1#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化

計(jì)算得到各個(gè)艙門開鎖機(jī)構(gòu)開鎖上鎖所需時(shí)間，如表2所示。

表2 各個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)開鎖上鎖時(shí)間 單位:s

從表2中數(shù)據(jù)可知，所有艙門機(jī)構(gòu)控制閥的負(fù)載壓力流量均符合指標(biāo)要求，開鎖/上鎖時(shí)間均滿足要求。此時(shí)，同步性為0.007。在此基礎(chǔ)上討論關(guān)鍵因素對(duì)同步性的影響。

4.1 液壓管路通徑對(duì)解鎖同步性的影響

4.1.1 3#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路對(duì)解鎖同步性的影響

3#內(nèi)機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載與作動(dòng)筒解鎖腔連接管路長度為26.7 m，因此該管路的節(jié)流特性對(duì)解鎖同步性有較大影響。該管路初始管徑為5.537 mm，將該參數(shù)減少20%，即為4.43 mm時(shí)，計(jì)算投水作動(dòng)子系統(tǒng)同步性。

圖10為3#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路通徑減小后1#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化。

圖10 3#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路通徑減小后鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間

計(jì)算得到8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間，如表3所示。

表3 8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間

由表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)3#內(nèi)機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載管路通徑減小后，1#內(nèi)和2#內(nèi)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間將加快，3#內(nèi)艙門解鎖時(shí)間延長18%，從而使8個(gè)艙門解鎖同步性下降。

4.1.2 4#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路對(duì)解鎖同步性的影響

4#內(nèi)換向閥負(fù)載與作動(dòng)筒解鎖腔連接管路長度為12.874 m，其節(jié)流特性將對(duì)8個(gè)艙門解鎖同步性有較大影響。管徑初始為5.537 mm，管徑增加20%至6.64 mm時(shí)，計(jì)算投水作動(dòng)子系統(tǒng)同步性。

圖11為4#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路通徑增大后3#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化。

圖11 4#內(nèi)機(jī)構(gòu)負(fù)載管路通徑增大后解鎖時(shí)間

計(jì)算得到8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間，如表4所示。

表4 8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間

從表4數(shù)據(jù)可知，增大4#內(nèi)機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載管路管徑后，4#內(nèi)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間顯著減小，1#和2#內(nèi)艙門解鎖時(shí)間稍有增加。

4.2 機(jī)構(gòu)控制閥主閥芯通徑對(duì)解鎖同步性的影響

主閥芯通徑為10 mm，活塞桿直徑為6.5 mm，閥套一周有4個(gè)圓孔，直徑為3.5 mm。分別計(jì)算主閥芯通徑為10 mm、8 mm和6 mm時(shí)的解鎖時(shí)間，如表5所示。

表5 不同主閥芯通徑下的解鎖時(shí)間 單位：s

解鎖到位同步性均為0.01 s。從仿真結(jié)果可知，主閥芯通徑在6～10 mm變化時(shí)，對(duì)解鎖同步性基本沒有影響。

4.3 機(jī)構(gòu)控制閥阻尼孔尺寸對(duì)解鎖同步性的影響

為了保證鎖機(jī)構(gòu)上鎖/開鎖能滿足性能指標(biāo)，因此在機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載口增加單向節(jié)流裝置。不考慮管路液阻，將阻尼孔尺寸同時(shí)增大或減小，計(jì)算阻尼孔尺寸對(duì)解鎖同步性的影響。將開鎖負(fù)載口阻尼孔尺寸在初始基礎(chǔ)上增大10%，計(jì)算投水子系統(tǒng)同步性。

圖12為4#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化。

圖12 4#外艙門鎖機(jī)構(gòu)固定軸轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化

計(jì)算得到8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間，如表6所示。

表6 負(fù)載阻尼孔尺寸增大時(shí)艙門解鎖時(shí)間

從表6數(shù)據(jù)可知，8個(gè)艙門解鎖同步性為0.008 s，同步性增加了20%，且增大負(fù)載口節(jié)流孔尺寸10%后艙門解鎖時(shí)間縮短15%左右。

將負(fù)載口節(jié)流孔尺寸減小10%后，8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間如表7所示。

表7 負(fù)載阻尼孔尺寸減小時(shí)艙門解鎖時(shí)間

根據(jù)表7中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，8個(gè)艙門鎖機(jī)構(gòu)解鎖同步性為0.012 s，同步性下降20%，減小節(jié)流孔尺寸10%后，解鎖時(shí)間延長20%左右。

5 結(jié)束語

采用Fluent三維流場計(jì)算軟件，真實(shí)模擬了水箱重力投水過程中水量隨時(shí)間的變化，并采用AMESim搭建了考慮實(shí)際泵源、管路、控制閥、作動(dòng)裝置的液壓作動(dòng)系統(tǒng)，準(zhǔn)確得到艙門收放時(shí)間、鎖機(jī)構(gòu)開鎖/上鎖時(shí)間和開鎖同步性。仿真結(jié)果表明，目前的設(shè)計(jì)可以滿足投水性能指標(biāo)要求，且該仿真模型可用于投水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。

由于3#內(nèi)和4#內(nèi)艙門鎖機(jī)構(gòu)控制閥與液壓源位置較遠(yuǎn)，液壓管路長管路液阻較大，分析了該管路通徑對(duì)解鎖時(shí)間和解鎖同步性的影響。仿真結(jié)果表明，可通過增大該管路通徑的方法，解決3#和4#內(nèi)側(cè)艙門解鎖時(shí)間相對(duì)滯后的問題。

通過計(jì)算機(jī)構(gòu)控制閥主閥芯通徑分別為6 mm、8 mm和10 mm時(shí)解鎖時(shí)間的同步性。仿真結(jié)果表明，主閥芯通徑增大可縮短解鎖時(shí)間，但對(duì)8個(gè)艙門解鎖同步性影響并不大，因此可通過改變主閥芯通徑，調(diào)整解鎖時(shí)間。

計(jì)算了機(jī)構(gòu)控制閥負(fù)載阻尼孔尺寸對(duì)解鎖同步性的影響，計(jì)算結(jié)果表明增大10%的阻尼孔尺寸可縮短15%左右的解鎖時(shí)間，由于各艙門結(jié)構(gòu)的差異和液壓管路尺寸的差異，導(dǎo)致8個(gè)艙門作動(dòng)系統(tǒng)液阻不同，通過調(diào)節(jié)阻尼孔的大小可實(shí)現(xiàn)8個(gè)艙門解鎖同步，同步性可達(dá)到0.012 s左右。在此基礎(chǔ)上同時(shí)增大或減小阻尼孔孔徑，對(duì)同步性影響較小。