民用飞机表面波纹度测量方法研究

金鼎

【摘 要】为减小飞机表面波纹现象对飞机性能的影响，需要对飞机表面的波纹度进行测量，以便采取控制及改进措施。本文对民用飞机表面波纹度测量的特点进行了分析，对国内外现有方法进行分类介绍及分析研究，为今后国产民用飞机波纹度测量方法的改进及发展提供了参考。

【关键词】民用飞机；波纹度；测量方法

0 引言

在飞机机体外形没有较大整体偏离和较大阶差的情况下，机体表面的制造偏差一般表现为在理论外形附近的非预期起伏，即机体表面的波纹现象，对该波纹现象的度量概念称为波纹度。波纹度由最大波幅与波长之比值决定（即b/L），见图1[1]。

测量飞机表面波纹度的传统方法一般使用实物样条。对于平直外形，直接用直尺检查；对于曲面外形，则用实物样条按照自然弯曲的方法检查表面波纹度。检查时，用塞尺量取波幅大小，用卷尺量取两个波峰间的波长。实物样条检查波纹度存在误差大的缺点，一方面是因为样条的柔韧性使得塞尺没法很好地把握塞进间隙的尺度，另一方面是使用不同彈性的样条对测量结果也有影响。

随着民用飞机外形检测方法的飞速发展，波纹度测量方法也随之有了质的飞跃。下文将对民用飞机表面波纹度测量的特点进行分析，并对国内外现有方法进行分类介绍及分析研究。

1 波纹度测量特点

相对于其他产品的表面波纹度测量，民用飞机表面波纹度测量有其特殊之处，即：大尺度、高精度、快速便捷、兼顾成本。

1.1 大尺度

对于一般机械零件，其表面波纹的波长一般在10mm量级，波纹度评定长度最大在80mm[2]。而对于目前在役的民用飞机，最大翼展和机身长度均达到60m以上，表面波纹波长最大可达600mm以上，因此民用飞机波纹度测量的尺度一般要求在0.5m-2.0m范围。

1.2 高精度

民用飞机表面波纹波幅的一般要求为1mm-3mm，波幅的测量精度要求为0.1mm。而对于按RVSM（缩小最小垂直间隔标准）运营的民用飞机，其大气数据传感器附近的表面波纹波幅要求则更高，波幅的测量精度要求达到0.01mm。

1.3 快速便捷

对于生产线上的飞机，波纹度测量作为飞机各部件、部位的常规测量项，测量的工作量是巨大的，因此波纹度的测量要求快速便捷。

同样，在役的民用飞机要达到盈利的最大化，每架飞机每天需要运营10个小时以上，其间的维护、维修时间是短暂而又宝贵的，加上机务人员并非专职于波纹度测量，因此在役飞机的波纹度测量也要做到尽量快速便捷。

1.4 兼顾成本

波纹度测量还要兼顾成本，对于飞机维修公司，波纹度测量的频次并不高，因此测量方法要在满足测量精度的前提下考虑尽量降低成本；对于飞机制造商，波纹度作为常规测量项，需要大量而频繁地测量，因此在测量方法选择上更注重快速高效，可适当放松低成本要求。

2 波纹度测量方法

2.1 卡板塞尺法

卡板塞尺法的原理与传统的样条塞尺测量方法类似，不同之处是用与待测表面形状一致的刚性卡板作为基准，以此来提高测量精度，测量精度一般可以达到0.1mm。

卡板塞尺法成本较低，但由于曲面形状各不相同，一块卡板只能用于某一特定区域的测量，因而不同曲面或者同一曲面的不同位置的测量都需要制作不同的卡板。对于飞机表面曲率变化大或者测量尺度较大的情况，此方法在便捷性和精确性方面不具备优势。

2.2 探针测距法

探针测距法是目前飞机制造商和飞机维修公司测量飞机表面波纹度采用的比较成熟的方法，其测量精度可以达到0.01mm，该方法同样不适合于测量飞机表面曲率变化大的区域。探针测距法又可分为一维测量法和二维测量法。

图2是一种典型的波纹度一维测量法：将带刻度的标度尺放置于飞机表面，标度尺上的支脚紧贴飞机表面，标度尺的滑轨上固定数字式卡尺；测量时，通过卡尺的探针接触飞机表面来测量标度尺相对于飞机表面的距离，测量数值可通过数据线实时记录至计算机中；沿滑轨移动卡尺至标度尺上不同刻度位置，即可测量标度尺相对于蒙皮表面的距离变化情况。由该方法得到一系列距离数值的波动情况间接地反映了蒙皮波纹度情况，后续经过数据处理即可得到被测飞机表面的波纹度。

图2中的方法一次只能测量飞机表面一条线上的波纹度情况，故称之为一维测量。要获得某一区域的波纹度，则需要移动标度尺至不同位置反复实施测量，且标度尺一般需由人工托举来保持其位置，因此该方法费时费力，但其优点是成本低廉，适合于波纹度的少量测量。

图3是另一种波纹度测量方法，该方法是将支架通过支脚支撑在飞机表面，中间的横梁可以沿滑轨滑动，横梁上设置一定数量的测距探针，测距探针可测量横梁至蒙皮表面的距离，距离数值可通过数据线传输至计算机中，滑动横梁即可测量支架支撑范围内横梁至蒙皮的距离变化情况，从而间接反映该区域的波纹度情况，其测距取样密度取决于测距探针在横梁上的布置密度。

上述方法一次可测量一块区域的蒙皮波纹度，故称之为二维测量法。该方法相对于一维测量法更便捷，但整套测量设备较笨重，需要使用吸盘或螺栓将其临时固定在飞机待测区域表面。另外，其成本相对一维测量也稍高，适合于飞机制造商针对某一特定区域的批量测量。

2.3 激光扫描法

激光扫描法是目前工程领域较为常用的非接触式三维测量方法，根据其测量原理大致可分为脉冲法、相位法和三角法。其中，三角法测量精度最高，适合小范围近距离测量，因此激光扫描法测量波纹度的原理大多基于三角法。

激光扫描法常用的仪器设备有：O2DS、T-SCAN等，其中O2DS属于二维线扫描设备，T-SCAN属于三维面扫描设备，这些设备的测量精度均可达到0.03mm，如图4所示。

使用上述这些设备扫描飞机待测区域表面，即可得到该区域二维或三维测量数据，在计算机上对测量数据进行处理分析即可得到该区域蒙皮表面的波纹度。

一般情况下，三维面扫描设备获取飞机表面信息效率更高，而二维线扫描设备的价格相对更便宜。相对于探针测距法，激光扫描法的测量成本较高，不太适合飞机维修公司的少量测量。

2.4 三维摄影测量法

三维摄影测量法是利用光学摄影机获取被测物图像，经过图像处理以获取被测物形状、尺寸等信息的一种测量方法。

目前，常用的三维摄影测量设备有V-Stars、MPS/M等测量系统，这些测量系统一般均包含工业相机、目标点或投点器、配套软件等。

测量飞机表面波纹度时，需要用投点器在待测区域表面投射目标点，通过工业相机拍摄大量待测区域表面照片，每幅照片中包含多个被测点，通过系统内部算法，最终得到被测点的坐标，继而分析计算飞机表面的波纹度。

使用三维摄影测量系统测量飞机表面波纹度极其快速、便捷，测量精度也均能做到优于0.01mm，考虑其设备成本偏高，因此三维摄影测量方法比较适用于飞机制造商的批量测量。

2.5 激光跟踪仪法

激光跟踪仪法是利用激光跟踪仪在待测区域表面沿某一方向采集离散有序的或是连续的点的坐标，并在计算机上对数据点进行处理分析，可得到该区域蒙皮表面的波纹度，其测量精度优于0.01mm。

激光跟踪仪法使用成本较高，操作也相对繁琐，因此仅适合于飞机制造商在飞机研发阶段的少量测量使用。

3 结论

本文对现有民用飞机表面波纹度测量的特点进行了分析，对国内外现有测量方法进行分类介绍及分析研究，经分析得出以下几点结论：

1）波纹度测量具有大尺度、高精度的特点，同时还要兼顾快速便捷和低成本；

2）不同测量方法的适用范围、测量精度及便捷性与其使用成本是相互矛盾的，需要根据不同的场合和需求选取合适的测量方法。

【参考文献】

[1]HB7086-94 民用飞机气动外缘公差[S].中国航空工业总公司，1994-01-01.

[2]胡凤英.波纹度参数的研究及检测[J].内燃机配件，2006，2.

[责任编辑：田吉捷]