懸停回轉(zhuǎn)試飛方法在直升機超短波天線方向圖測試中的應(yīng)用

尹建峰,唐彩虹,孟 超

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

懸停回轉(zhuǎn)試飛方法在直升機超短波天線方向圖測試中的應(yīng)用

尹建峰,唐彩虹,孟 超

(中國飛行試驗研究院,西安 710089)

借鑒飛機天線方向圖地面自由空間測試場測試方法,利用直升機空中懸停特性進行天線方向圖測試,以達到節(jié)省試飛架次的目的。分析了如何進行直升機懸停位置的選擇以及直升機到測試點的距離和垂直高度的計算,總結(jié)了直升機超短波天線方向圖測試中的定點懸停試飛駕駛技術(shù)。該試驗方法在飛行試驗中得到了驗證,與傳統(tǒng)試飛方法進行對比,工作效率提高2倍。

直升機;超短波天線;方向圖測試;定點懸停

1 引 言

機載超短波天線在直升機上安裝后,其安裝位置、總體布局對超短波電臺的通信性能產(chǎn)生重要影響,因此需要對天線的輻射特性有明確的了解,而天線方向圖則是衡量天線輻射特性最直觀明晰的方法[1]。

在直升機設(shè)計、制造過程中,采用縮比模型試驗的方法進行天線方向圖測試[2-3],測試精度總要受到縮比模型的精度、地面反射、周圍物體反射等方面的影響。因此,對直升機機載天線進行飛行試驗,以測試其方向圖就顯得更加重要。

固定翼飛機普遍使用梅花瓣或多邊形試飛方法在等場強區(qū)域試飛[4],直升機也可以使用該方法,但是由于直升機飛行速度慢、留空時間短,試飛的效率就會很低。

本文利用直升機獨特的低空懸停性能,并借鑒地面自由空間測試場測試方法,提出采用懸停回轉(zhuǎn)的方法進行天線方向圖試飛測試。文中探討了直升機最小懸停距離和高度的計算方法,并進行了懸停位置的測量與分析,實現(xiàn)了直升機天線方向圖的準(zhǔn)確測試,同時在試飛過程中總結(jié)了試飛員駕駛技術(shù)及機組配合的要點。

2 直升機最小懸停距離和高度計算

圖1為自由空間測試場示意圖。

圖1 自由空間測試場Fig.1 Free space test field

輔助天線與被測天線之間的最小距離(Rmin)應(yīng)滿足[5]

式中,D1為裝有被測試天線的機體的最大線性尺寸;D2為輔助天線的最大線性尺寸;λ為測試時天線工作的最小波長;K為任選的常數(shù),K值越大測試精度越高,也就是說距離越遠精度越高。

取D1=15 m,λ=0.1 m,K=3,計算結(jié)果 Rmin=6.75 km;取 D1=15 m,λ=0.1 m,K=2,計算結(jié)果Rmin=4.5 km,所以載機活動范圍可以選擇距離測試系統(tǒng)4～6 km。

選擇好了位置,下一步選擇懸停高度。因為直升機懸停高度不能太高,懸停高度受升限限制,而且高度越高操縱難度越大;此外,高高度懸停所需發(fā)動機功率大。然而,對于機載水平天線方向圖測試,必須消除地面反射影響,所以被測天線的相位中心距地面的高度應(yīng)為

取D2=2 m,Rmin=4 km,則 h≥100 m,直升機懸停高度不能低于100 m。從式中可以看出Rmin越大,要求懸停高度越高。

根據(jù)理論計算,我們初步選擇確定:懸停高度為100～150 m,距測試系統(tǒng)距離為4～5 km。

從以上計算中可以看出,直升機的尺寸和實驗頻率的波長決定直升機距測試系統(tǒng)的最小距離,該距離又決定直升機懸停高度,懸停高度又受限于直升機的性能和駕駛員的技術(shù)。

3 懸停位置的測量與分析

我們已經(jīng)初步選擇好懸停位置與高度,但是否可行,需要進一步分析。

在空中測試天線方向圖,要選擇合適的空域,要求場強值變化平穩(wěn)(±1 dB)。使用梅花瓣或多邊形試飛,要選擇等場強區(qū)。

自由空間,場強 E隨距離S變化趨勢見圖 2(5 000 m高度)。從圖中可以看出在近距離區(qū)域場強變化劇烈,在150～200 km區(qū)域場強變化平坦,為等場強區(qū)域[5]。

圖2 場強隨距離變化趨勢Fig.2 Variation trend of field intensity with distance

經(jīng)多次測量,直升機100 m高度出航與歸航過程中,25～30 km之間信號場強變化較為平坦(0.5 dB),12～20 km之間信號場強變化較為平坦(2 dB左右),4～6 km之間信號場強變化為5 dB。12～30 km之間,可以看出在中遠距離處,信號變化較為平坦,但是從前面的分析可知,由于載機距離測試系統(tǒng)距離遠,必須抬高直升機高度,從而超出了懸停高度,只能選擇梅花瓣飛行方法。

因此,選擇距離測試系統(tǒng)4～6 km處懸停,但是考慮到場強變化趨勢較大,只能要求試飛員定點懸停,要求駕駛員尋找一明顯地標(biāo)點,確保直升機懸停位置誤差不能超過200 m。

最終確定選擇距離本場測試系統(tǒng)4～5 km處、100～130 m高度懸停,活動范圍不超過100 m。

為滿足上述要求可以按照以下條件進行:

(1)選擇一合適地標(biāo)點,試飛員對其標(biāo)定并存儲;

(2)空中氣流變化較小,直升機不漂移,容易保持位置;

(3)環(huán)境溫度較低,發(fā)動機容易散熱;

(4)懸停位置下方及增速脫離的方向不應(yīng)有鐵塔、高壓線等高大障礙物。

4 懸?；剞D(zhuǎn)試飛與梅花瓣試飛對比

梅花瓣試飛過程中,按照10°劃分,相當(dāng)于試飛員需要做18個“8”字盤旋,并且需要對準(zhǔn)固定點,試飛員反映操作非常困難,整個架次不能完成一個完整的方向圖,最終只能取到24個方位上的測試數(shù)據(jù)。

將試飛方法改為懸停回轉(zhuǎn)后,試飛員操縱飛機在一個方位保持后,向地面報懸停方位并發(fā)射載波。在一個架次每懸停18個角度后,試飛員駕駛直升機脫離試驗點,在指定空域盤旋,這樣一方面可以降低發(fā)動機和減速器滑油溫度,另一方面試飛員可以休息。這種飛行方式一個架次可以取到順時針36個點、逆時針36個點,即完成兩個完整的方向圖數(shù)據(jù),工作效率較梅花瓣方式提高2倍。如果選擇寒冷的冬天,發(fā)動機散熱時間減少,工作效率則可以提高4倍。

同時,空勤機組配合操縱、報告方位、發(fā)射載波的方法,得到大量的實時數(shù)據(jù),使事后數(shù)據(jù)處理工作量大幅降低,從而提高了工作效率。

5 直升機天線方向圖試飛駕駛技術(shù)

根據(jù)前面對于直升機超短波電臺天線方向圖試飛對于位置及高度的要求,試飛員通過空中勘察,對比選取在機場跑道附近,距離布置場強儀或頻譜儀連接高增益定向天線的實驗陣地5 km的位置進行試驗。新的天線方向圖根據(jù)前文所述主要是操縱直升機進行地效外懸停,這個試飛動作主要的難點在于以下幾方面。

(1)懸停高度、位置要求精確。直升機懸停主要依靠試飛員目視判斷地面參照物的相關(guān)位置改變情況,輔助參考機上指示。高高度懸停距離地面參照物遠,判斷相關(guān)位置改變較遲緩。在實際大氣中,懸停所需功率受風(fēng)等擾動因素影響會有所變化,所以,保持高度需要不斷調(diào)整總距。

(2)試驗要求直升機每間隔10°航向進行一次載波發(fā)射,在對于航向不夠安定的直升機操縱比較困難。

(3)直升機高高度懸停,所需功率大,發(fā)動機滑油及T45溫度會比較高,如何控制在發(fā)動機不超溫情況下完成任務(wù)是個需要解決的問題。

(4)機上一部電臺需按照要求發(fā)射載波,另一部電臺向地面試驗陣地報告當(dāng)前航向同時保持塔臺的聯(lián)系,這對機組協(xié)同配合水平要求高,是項目試飛中的難點。

為此,試飛員應(yīng)進行如下有針對性的準(zhǔn)備。

(1)在平常試飛中有意識地增加一些高高度懸停動作,使試飛員適應(yīng)高高度懸停動作。

(2)根據(jù)試飛內(nèi)容,選擇基本駕駛技術(shù)好、對直升機控制能力強的試飛員承擔(dān)。

(3)對于空中直升機位置變化及高度變化能及早判斷及早修正,對于航向控制要求平穩(wěn)準(zhǔn)確。

(4)由于直升機空氣動力學(xué)的特點,周期變距桿、總距、腳蹬3項操縱相互耦合,試飛員應(yīng)清楚掌握這一點。對于發(fā)動機溫度,應(yīng)由不參與操縱的試飛員密切關(guān)注,如果出現(xiàn)接近黃區(qū),應(yīng)及時提醒改變飛行狀態(tài),減小發(fā)動機功率。

(5)對于機組配合,主操縱試飛員負責(zé)控制直升機狀態(tài)(高度、位置、航向)并按要求航向每變化10°發(fā)射一次載波,不參與操縱的試飛員需向試驗陣地報告發(fā)射載波時直升機的航向,同時密切關(guān)注發(fā)動機的工作情況,并同塔臺保持聯(lián)絡(luò)。

(6)每進行18個方向載波發(fā)射后,直升機應(yīng)脫離懸停到空域以經(jīng)濟速度飛行20 min,期間發(fā)動機散熱,試飛員也可調(diào)整休息。

6 天線方向圖試飛方法與結(jié)果

在機場架設(shè)高增益天線,載機距離場強測試點4～5 km,在110 m高度上懸停,順時針/逆時針?biāo)叫D(zhuǎn),航向每變化10°,載機電臺發(fā)射一次載波信號,地面頻譜儀測試接收場強,根據(jù)測試數(shù)據(jù),繪制天線方向圖。圖3為某個頻點天線方向圖測試結(jié)果。

圖3 天線方向圖測試結(jié)果Fig.3Measured antenna pattern

地面試驗中,天線廠家采用部件試驗方法,模擬該直升機的某個部件,將天線固定在該部件對應(yīng)的位置上,測得天線方向圖圓度非常好,測量值之間相差1～2 dB。天線在直升機體安裝后,在視覺上沒有任何遮擋。但實際試飛結(jié)果表明,天線方向圖在直升機機尾方向信號衰減嚴重。該結(jié)果很好地解釋了通信距離試飛中直升機背臺方向最大通信距離短的現(xiàn)象(背臺與向臺通信距離相差十多公里)。

7 結(jié)束語

本文利用直升機獨特的低空懸停特性,探討了直升機天線方向圖試飛的新方法。在對該方法的技術(shù)難點進行分析的基礎(chǔ)上,解決了直升機懸停高度、距離的選擇問題,在試飛過程中摸索并掌握了一套適用于該試飛方法的駕駛技術(shù)。該試飛方法與傳統(tǒng)的梅花瓣試飛方法相比具有更高的工作效率。懸停回轉(zhuǎn)試飛方法適用于新一代直升機天線方向圖的試飛和測試。

[1]李莉.天線與電波傳播[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

LI Li.Antenna and Radio Wave Propagation[M].Beijing:Science Press,2009.(in Chinese)

[2]劉瑾,王化吉.基于LabVIEW的天線方向圖測試系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2011,34(3):62-65.

LIU Jin,WANG Hua-ji.Measure system for the antenna to get the patterns of the tested antennas based on LabVIEW[J].Electronic Measurement Technology,2011,34(3):62-65.(in Chinese)

[3]侯民勝,問建.天線方向圖自動測量中的信號錄取與數(shù)據(jù)處理[J].電子測量技術(shù),2007,30(7):47-50.

HOU Min-sheng,WEN Jian.Signal extraction and data processing of antenna pattern automatic measurement[J].Electronic Measurement Technology,2007,30(7):47-50.(in Chinese)

[4]王彩萍,張長茂.機載天線方向圖飛行試驗技術(shù)[J].飛行試驗,2009,25(9):3-5.

WANG Cai-ping,ZHANG Chang-mao.Airborne antenna patternflight test technique[J].Flight Test,2009,25(9):3-5.(in Chinese)

[5]梁福生,王廣學(xué).飛機天線工程手冊[M].北京:中國民航出版社,1997.

LIANG Fu-sheng,WANG Guang-xue.Aeroplane Antenna Project Manual[M].Beijing:Chinese Civil Aviation Publishing House,1997.(in Chinese)

YIN Jian-feng was born in Handan,Hebei Province,in 1970.He received the M.S.degree from Northwestern Polytechnical University in 2000.He is now an ace test ploit and a senior engineer.He is engaged in flight test.

Email:yinjianfeng-70@sina.com

唐彩虹(1971—),女,陜西蒲城人,1995年于南京航空航天大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為高級工程師,主要從事機載電子設(shè)備試飛工作;

TANG Cai-hong was born in Pucheng,Shaanxi Province,in 1971.She received the B.S.degree from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in 1995.She is now a senior engineer.She is engaged in flight test of airborne electronic equipment.

Email:tangpai1991@hotmail.com

孟 超(1984—),男,陜西合陽人,2006年于南京理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事機載電子設(shè)備試飛工作。

MENG Chao was born in Heyang,Shaanxi Province,in 1984.He received the B.S.degree from Nanjing University ofScience and Technology in 2006.He is now anengineer.He is engagedinflight test of airborne electronic equipment.

Application of Hovering Flight Test Method in Helicopter-borne VHF Antenna Radiation Pattern Measurement

YIN Jian-feng,TANG Cai-hong,MENG Chao
(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,China)

By learning from the aircraft antenna pattern ground free-space test method,helicopter′s hovering character is applied to measure antenna radiation pattern,in order to save the flight test sorties.The methods for the selection of the hovering point and the calculation of the distance and the height from the instrument site to the helicopter are analysed.The fixed-point hovering flight driving techniques are summarized in helicopterborne VHF antenna radiation pattern measurement.The test method is verified in the flight test,and compared with the traditional one,the work efficiency is tripled.

helicopter;VHF antenna;radiation pattern measurement;fixed-point hovering

TN822.4

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.045

1001-893X(2012)06-1047-04

2011-11-01;

2012-04-06

尹建峰(1970—),男,河北邯鄲人,2000年于西北工業(yè)大學(xué)獲飛行器設(shè)計專業(yè)碩士學(xué)位,現(xiàn)為特級試飛員、高級工程師,主要從事科研試飛工作;