共軸式雙旋翼直升機(jī)錐體測(cè)量技術(shù)研究

孫燦飛，何 泳，莫固良

(中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所，上海 201601)

0 引言

直升機(jī)旋翼是為直升機(jī)飛行提供升力和操縱力的核心部件，直接關(guān)系到直升機(jī)的安全及其他各項(xiàng)重要性能的優(yōu)劣。直升機(jī)旋翼高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的錐體是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的綜合反映，包括槳葉氣動(dòng)外形、旋翼及槳葉的動(dòng)態(tài)特性、槳葉安裝和固定情況、槳葉重量變化及旋翼系統(tǒng)的故障情況等，均反映到旋翼錐體的變化。為此，測(cè)量和監(jiān)視旋翼錐體是直升機(jī)使用維護(hù)中的重要檢測(cè)內(nèi)容。

旋翼錐體測(cè)量主要是檢測(cè)各片槳葉形成的錐體之間的相差值是否在允許的范圍內(nèi)，也稱旋翼同錐度檢測(cè)。測(cè)量參數(shù)主要有各片槳葉的絕對(duì)揮舞值、相對(duì)揮舞值以及擺動(dòng)值，如果某片槳葉形成的錐體出現(xiàn)超差，就需對(duì)該槳葉進(jìn)行棱面調(diào)整。

1 單旋翼直升機(jī)錐體的測(cè)量方法

根據(jù)使用維護(hù)手冊(cè)，直升機(jī)錐體檢查時(shí)，不僅僅需要進(jìn)行地面錐體檢查，也需要進(jìn)行空中懸停狀態(tài)、前飛狀態(tài)的錐體檢查，而確定直升機(jī)飛行中的錐體更有意義，因?yàn)橹鄙龣C(jī)在水平飛行時(shí)，旋翼工作在不對(duì)稱的氣流環(huán)境下，容易引起較大振動(dòng)，而且直升機(jī)大部分飛行狀態(tài)是水平飛行，僅僅通過地面錐體測(cè)量數(shù)據(jù)來調(diào)整旋翼錐體很難使直升機(jī)旋翼在飛行狀態(tài)處于良好的工作狀態(tài)，振動(dòng)水平最小。也就是說，僅依據(jù)地面錐體的測(cè)量結(jié)果對(duì)旋翼做出調(diào)整，不能夠保證直升機(jī)在飛行中的振動(dòng)水平處于低水平。

很早以前，直升機(jī)在開始投入使用時(shí)就要求進(jìn)行旋翼錐體測(cè)量，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，測(cè)量旋翼錐體使用的是標(biāo)桿法，即維護(hù)人員先在每片槳葉的槳尖涂上不同顏色，然后在標(biāo)桿頂端綁上白色紙筒，在直升機(jī)地面開車后，標(biāo)桿逐漸靠近槳葉槳尖，這樣每片槳葉葉尖的涂料會(huì)在白紙筒上留下不同高度的痕跡，用直尺測(cè)量它們之間的距離，就粗略知道了每片槳葉錐體的情況。這種方法只能用在地面開車階段測(cè)量旋翼錐體，同時(shí)操作人員須具備相應(yīng)的操作技巧，且具有一定的危險(xiǎn)性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在80年代開始使用頻閃儀，即維護(hù)人員先在每片槳葉的槳尖裝上帶有不同形狀或數(shù)字反光紙的靶標(biāo)，在直升機(jī)地面開車后，利用頻閃儀照射槳葉，對(duì)準(zhǔn)槳尖某一固定位置，在每片槳葉到來時(shí)，產(chǎn)生一束強(qiáng)烈閃光照亮該槳葉葉尖的靶標(biāo)，由于人眼的延滯性，可以看到每片槳葉上的靶標(biāo)，但是使用這種測(cè)量方法得到測(cè)量結(jié)果仍舊需要“人”的判斷，測(cè)量時(shí)間長，測(cè)量效果受氣象條件影響，有時(shí)對(duì)測(cè)量得到的結(jié)果會(huì)有爭(zhēng)議，且測(cè)量結(jié)果無法記錄和保持。

綜上所述，標(biāo)桿法無法測(cè)量飛行中的旋翼錐體，頻閃儀方法可以實(shí)現(xiàn)，但測(cè)量受空中光照及直升機(jī)晃動(dòng)等影響，效果不好。

2 共軸式雙旋翼直升機(jī)旋翼錐體的測(cè)量方法

前面提到的兩種旋翼錐體測(cè)量方法主要用在單旋翼系統(tǒng)的直升機(jī)，而對(duì)于共軸式雙旋翼直升機(jī)，這兩種測(cè)量方法都存在一定難度。共軸式雙旋翼直升機(jī)具有繞同一理論軸線一正一反旋轉(zhuǎn)的上下兩副旋翼，由于轉(zhuǎn)向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的扭矩在航向不變的飛行狀態(tài)下相互平衡，通過上下旋翼總距差動(dòng)產(chǎn)生不平衡扭矩可實(shí)現(xiàn)航向操縱。如果使用標(biāo)桿法，只需標(biāo)桿高度控制合適，就可實(shí)現(xiàn)下層旋翼錐體的測(cè)量，但進(jìn)行上層旋翼錐體測(cè)量時(shí)需避開下旋翼，這是傳統(tǒng)的直桿無法實(shí)現(xiàn)的。后來有人發(fā)明了可升降的弓形標(biāo)桿，這種標(biāo)桿雖然可以實(shí)現(xiàn)上下層旋翼錐體的測(cè)量，但無疑更增加了測(cè)量的難度、不準(zhǔn)確性和危險(xiǎn)性。

圖1 標(biāo)桿法測(cè)量共軸式雙旋翼直升機(jī)錐體

由于共軸式雙旋翼直升機(jī)上下兩副旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，位置相互錯(cuò)開，所以通過頻閃儀也可實(shí)現(xiàn)上下旋翼錐體的測(cè)量，但由于上層旋翼較高，既增加了靶標(biāo)安裝的難度，也影響了靶標(biāo)的反光效果，更易受天氣等因素的影響，增加了判斷的難度和不確定性，外場(chǎng)使用效果不理想。

2.1 光學(xué)傳感器工作原理

目前國內(nèi)已研究采用光學(xué)原理的特種傳感器測(cè)量直升機(jī)旋翼錐體，這種傳感器內(nèi)部安裝有兩個(gè)固定光軸夾角為11度的光敏器件，旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)槳葉通過傳感器上方時(shí)，由于槳葉對(duì)光線的遮擋效應(yīng)，光敏傳感器得到不同強(qiáng)度的光，隨著旋翼的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一系列與旋翼運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)的脈沖信號(hào)，揮舞值大的槳葉劃過11度視場(chǎng)的時(shí)間就長，反之亦然，這樣就將槳尖的運(yùn)動(dòng)參數(shù)變成可以測(cè)量的電脈沖信號(hào)。測(cè)量脈沖見圖2。然后通過幾何關(guān)系和時(shí)間關(guān)系的計(jì)算(見公式1)，即得到旋翼的絕對(duì)與相對(duì)揮舞值。

其中，ΔT=T12-T11，T11表示槳葉1前沿進(jìn)入光學(xué)傳感器11度視場(chǎng)時(shí)刻值，T12表示槳葉1前沿出11度視場(chǎng)時(shí)刻值，T13表示槳葉1后沿出11度視場(chǎng)時(shí)刻值，α表示光學(xué)傳感器軸線與水平面夾角，L0表示光學(xué)傳感器安裝位置距離槳轂的距離，ω代表測(cè)量的旋翼角速度，h1表示槳葉1絕對(duì)揮舞值。`同理，其他槳葉的絕對(duì)揮舞值和擺動(dòng)值也可通過該公式進(jìn)行計(jì)算獲得，以某一槳葉為基準(zhǔn)，其他槳葉絕對(duì)揮舞值與基準(zhǔn)槳葉絕對(duì)揮舞值之差就為相對(duì)揮舞值。

這種測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高精度測(cè)量，受天氣影響小，也可實(shí)現(xiàn)飛行中的錐體自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)還可以將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼的故障診斷創(chuàng)造了條件。

圖2 光學(xué)傳感器測(cè)量單旋翼直升機(jī)示意圖

2.2 采用光學(xué)傳感器測(cè)量共軸雙旋翼直升機(jī)錐體

在共軸式雙旋翼直升機(jī)尾部特定位置安裝光學(xué)傳感器?？紤]到旋翼旋轉(zhuǎn)后槳葉上揚(yáng)，光學(xué)傳感器安裝應(yīng)保持一定角度α，軸線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)上層槳葉的根部，并適當(dāng)向內(nèi)移動(dòng)若干厘米。在試驗(yàn)過程中可以進(jìn)行調(diào)整。一旦確定，后續(xù)使用可將位置L0和角度α固定，見圖3。

圖3 光學(xué)傳感器機(jī)上安裝位置示意圖

由于上下層槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)位置錯(cuò)開、方向相反，因而上下層槳葉按次序進(jìn)入光學(xué)傳感器視場(chǎng)。根據(jù)光學(xué)傳感器的工作原理，形成與單旋翼不同的時(shí)序關(guān)系，見圖4。

計(jì)算時(shí)需將上下層槳葉產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行分離，分別得到上層槳葉的時(shí)序關(guān)系和下層槳葉的時(shí)序關(guān)系，然后分別按照單旋翼的計(jì)算公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

其中，hu1表示下層槳葉1的揮舞值，ha1表示上層槳葉1的揮舞值，ΔTu=T12-T11，ΔTa=T23-T21，同理可計(jì)算出其余槳葉的揮舞和擺動(dòng)值。

圖4 光學(xué)傳感器測(cè)量共軸雙旋翼直升機(jī)示意圖

2.3 外場(chǎng)驗(yàn)證

使用該光學(xué)傳感器測(cè)量共軸式雙旋翼直升機(jī)的旋翼錐體的方法在外場(chǎng)進(jìn)行了多次驗(yàn)證，對(duì)存在的比如安裝位置，測(cè)量下槳葉錐體位置非槳葉根部，脈沖干擾的濾波以及上下槳葉交叉重疊等等問題進(jìn)行多次試驗(yàn)或改進(jìn)，也與打標(biāo)桿、頻閃儀方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖5，最終結(jié)果令人滿意。

3 結(jié)束語

針對(duì)分析共軸式雙旋翼直升機(jī)旋翼錐體的特點(diǎn)，對(duì)比標(biāo)桿法、頻閃儀測(cè)量方法的缺點(diǎn)和不足，采用光學(xué)傳感器方法測(cè)量共軸式雙旋翼直升機(jī)旋翼錐體，更能滿足該類直升機(jī)的維護(hù)需求。另一方面，先進(jìn)的傳感器技術(shù)也帶動(dòng)快速、精確、自動(dòng)、智能的測(cè)量方法的出現(xiàn)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直升機(jī)機(jī)載健康管理及故障診斷系統(tǒng)(HUMS)提供了必要的手段和方法，整體提高直升機(jī)的維護(hù)水平和維護(hù)能力。

圖5 光學(xué)傳感器與標(biāo)桿法測(cè)量共軸雙旋翼直升機(jī)的結(jié)果對(duì)比圖

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