某型綜合試驗(yàn)直升機(jī)旋翼試飛測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虞漢文 ，朱洪興 ，顧文標(biāo) ，段 剛

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001； 2.北京世紀(jì)興元科技發(fā)展有限公司，北京 100098)

0 引言

某型綜合試驗(yàn)直升機(jī)是基于國內(nèi)成熟型號(hào)的一種研究性試飛專用直升機(jī)，主要承擔(dān)我國直升機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)驗(yàn)證、新設(shè)備和新構(gòu)型演示驗(yàn)證等任務(wù)，覆蓋旋翼載荷、噪聲、飛行特性，動(dòng)力學(xué)、航電、飛控等多專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的驗(yàn)證需求。

研究性飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)相對(duì)前沿，存在諸多不確定性，試飛風(fēng)險(xiǎn)大，需要配合大量的試飛測試，以獲得規(guī)律性的飛行數(shù)據(jù)，支撐設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和優(yōu)化，同時(shí)為飛行試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)控制提供支撐。

試飛測試通常涉及到飛行性能、品質(zhì)、飛行控制、總線等常規(guī)參數(shù)以及視頻信號(hào)、振動(dòng)、載荷、旋翼噪聲等直升機(jī)特色參數(shù)，特別是旋翼系統(tǒng)，具有高離心場、高采樣率、多參數(shù)、多任務(wù)狀態(tài)的測試特性。旋翼系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)為直升機(jī)提供升力和飛行姿態(tài)的變化，其使用環(huán)境復(fù)雜，需要適應(yīng)-40～55℃之間的極端溫度變化以及0～10000m的飛行高度范圍，其試飛測試一直是直升機(jī)測試的核心領(lǐng)域，測試系統(tǒng)隨旋翼系統(tǒng)一起耐受復(fù)雜、惡劣的飛行環(huán)境，須在電磁干擾、高低溫環(huán)境以及一定振動(dòng)、加速度和沖擊的環(huán)境中去精確獲取被測對(duì)象的飛行數(shù)據(jù)，因此測試系統(tǒng)在測試技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在較多的技術(shù)難題。

某型綜合試驗(yàn)直升機(jī)旋翼測試容量要求不小于200個(gè)通道，采樣率最高200kHz，

性能、品質(zhì)等緩變量測試誤差小于1%，載荷、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)量測試誤差小于3%。按設(shè)計(jì)使用指標(biāo)的要求，在參照相關(guān)測試國軍標(biāo)具體規(guī)定的基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)測試技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)?？紤]到綜合試驗(yàn)直升機(jī)研究性試飛的特性，設(shè)計(jì)還兼顧未來直升機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)發(fā)展對(duì)測試不斷擴(kuò)展的要求，最終測試系統(tǒng)通過了裝機(jī)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

綜合試驗(yàn)直升機(jī)為典型的單旋翼帶尾槳構(gòu)型，旋翼由星型柔性槳轂、3片槳葉等組成，尾槳為2片槳葉蹺蹺板結(jié)構(gòu)，旋翼系統(tǒng)緊湊，轉(zhuǎn)速高。測試參數(shù)主要包括槳葉、槳轂、變距拉桿、旋翼軸等部件的載荷、應(yīng)變、方位角等以及速度、高度、操縱、GPS等飛行參數(shù)，總測試參數(shù)在200個(gè)以內(nèi)。

測試系統(tǒng)需要安裝在旋翼軸上，隨旋翼同步轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)中的采集單元采集旋翼試飛信號(hào)，由編碼單元編碼形成數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)綑C(jī)身采集系統(tǒng)中。

旋翼試飛測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程：

1)根據(jù)旋翼轉(zhuǎn)速以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇測試信號(hào)采集、傳輸方式，其中旋翼采用無線遙測傳輸方式，尾槳采用光信號(hào)傳輸方式；

2)無線遙測方式基于COFDM技術(shù)將信號(hào)發(fā)射，通過機(jī)上的遙測接收機(jī)接收旋翼測試信號(hào)，解調(diào)后將數(shù)據(jù)編碼進(jìn)主機(jī)箱記錄；

3)光信號(hào)傳輸采用電磁感應(yīng)供電，通過光電轉(zhuǎn)換器、光纖將信號(hào)導(dǎo)向接收機(jī)，接收機(jī)負(fù)責(zé)光信號(hào)還原，輸入主機(jī)箱記錄；

4)測試系統(tǒng)裝機(jī)試驗(yàn)和試飛，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

2 測試技術(shù)研究

2.1 旋翼信號(hào)測試技術(shù)

旋翼信號(hào)的測試通常采用下面兩種方法[1]：

1)采用集流環(huán)的方式將旋轉(zhuǎn)件上的信號(hào)傳輸至機(jī)身記錄設(shè)備，這種方式成本較低，但適用線速度<20m/s的低轉(zhuǎn)速測量，當(dāng)線速度較高時(shí)集流環(huán)的轉(zhuǎn)子和定子之間高速摩擦，導(dǎo)致噪聲信號(hào)偏大，影響測試精度，而且使用壽命不長。

2)采集記錄設(shè)備直接安裝在旋翼槳轂上，采用電池供電，集信號(hào)調(diào)理、采集、編碼、發(fā)射于一體。飛行試驗(yàn)時(shí)隨旋翼一起旋轉(zhuǎn)，由于傳輸鏈路短，測試精度和采樣速率能夠得到保證，但系統(tǒng)復(fù)雜，限制了供電電池的容積，無法適應(yīng)長時(shí)間的試飛需求，且不具備信號(hào)遙測發(fā)射功能，無法滿足風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高的研究性試飛對(duì)地面安全監(jiān)控的要求。

由于采用星型柔性槳轂構(gòu)型，自動(dòng)傾斜器與槳轂之間的間隙較小，沒有充分空間安裝傳統(tǒng)的集流環(huán)。而作為綜合試驗(yàn)直升機(jī)，主要承擔(dān)技術(shù)研究性試飛和演示驗(yàn)證任務(wù)，具有一定風(fēng)險(xiǎn)性，需實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，采集記錄集成式系統(tǒng)也不適合，因此，采用無線遙測傳輸方式的信號(hào)傳輸是唯一可行的測試技術(shù)，即信號(hào)采集系統(tǒng)安裝在主槳轂上，將信號(hào)處理編碼，經(jīng)遙測發(fā)射，接收記錄。

設(shè)計(jì)采用COFDM(編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù))調(diào)制技術(shù)和無線發(fā)送接收技術(shù)。COFDM是目前先進(jìn)的多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)遙測中的無線電特征，優(yōu)化信道編碼和無線電頻率(低頻200MHz、長波長)，機(jī)身采用雙天線接收，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)無線的長時(shí)間、高可靠性傳輸。

設(shè)計(jì)時(shí)利用低頻、長波長電磁波的高繞射能力，確保信號(hào)不受旋翼軸等部件的遮擋；通過增長碼元的傳輸時(shí)間以減少多徑干擾問題；采用載波群調(diào)制技術(shù)(3000多載波同時(shí)調(diào)整)滿足高碼速率信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

采集器采用大容量鋰電池組供電，也可在28V機(jī)載電源下直接工作，提供專用快速充電裝置，便于外場充電和測試系統(tǒng)的檢測。

2.2 尾槳信號(hào)測試技術(shù)

尾槳測量系統(tǒng)安裝在尾槳軸上，隨尾軸高速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)須滿足體積小、重量輕、動(dòng)平衡好、安全可靠等要求，同時(shí)具備多路載荷、應(yīng)變等信號(hào)的測試能力[3]。

由于尾槳轉(zhuǎn)速高，采用遙測無線傳輸方式消除電磁波和多徑反射干擾的代價(jià)較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用空心感應(yīng)線圈供電(非接觸供電)和光信號(hào)傳輸?shù)燃夹g(shù)。感應(yīng)線圈供電不同于傳統(tǒng)的通過導(dǎo)體接觸供電的供電方式，是利用變化的磁場使閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流。而光信號(hào)傳輸則以光信號(hào)形態(tài)在發(fā)送方和接收方之間進(jìn)行傳輸，信號(hào)傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)、無電磁輻射、保密性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 尾槳遙測電磁感應(yīng)供電

非接觸供電采用感應(yīng)電磁耦合關(guān)系向負(fù)載供電，即利用變化的磁場能產(chǎn)生電場，使其中的閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，受環(huán)境影響較小，但供電效率較低，電壓波動(dòng)大，高次諧波的電磁輻射強(qiáng)。

將感應(yīng)供電電源的功率加大10倍以上，可以有效解決供電效率較低的問題；增加8～40V寬范圍穩(wěn)壓電路，降低感應(yīng)供電轉(zhuǎn)子接收電壓的波動(dòng)幅度；優(yōu)化定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈、電源參數(shù)、位置和間距等設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)各種情況下的穩(wěn)定；正弦波電壓、電流供電，可以減少高次諧波的電磁輻射，降低空心感應(yīng)供電對(duì)空間電磁輻射的強(qiáng)度。

2.2.2 尾槳遙測光信號(hào)傳輸

光信號(hào)傳輸是在發(fā)送端和接收端間以光的形態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。光轉(zhuǎn)換器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，變換成的光信號(hào)由光纖傳輸導(dǎo)向接收設(shè)備(光接收機(jī))接收，光接收機(jī)把從光纖中獲取的光信號(hào)還原成電信號(hào)。

光信號(hào)傳輸擁有極寬的頻帶范圍，以GB位作為度量。由于光纖中傳輸?shù)氖枪馐?，光束不?huì)受外界電磁干擾影響，本身不會(huì)向外輻射信號(hào)，保密性強(qiáng)。光纖也是至今為止傳輸速度最快的傳輸介質(zhì)，能輕松達(dá)到1000Mbps。光傳輸采用的是數(shù)字傳輸，保真度高，不存在非線性失真，而且安裝方便。

光信號(hào)傳輸需要足夠的信號(hào)傳輸帶寬來解決光信號(hào)的連續(xù)傳輸，感應(yīng)電源對(duì)光接收電路的干擾、與光接收相對(duì)應(yīng)的位同步器開發(fā)等均是重點(diǎn)需要解決的技術(shù)。

3 直升機(jī)旋翼測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 旋翼測試系統(tǒng)

旋翼測試系統(tǒng)由采集機(jī)箱、鋰電池主/從模塊以及遙測發(fā)射、接收機(jī)組成[2]。

采集機(jī)箱集成數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)發(fā)射兩大功能，采用標(biāo)準(zhǔn)多槽機(jī)箱，內(nèi)含一塊主控制卡、六塊多功能采集卡共96個(gè)測試通道、一個(gè)遙測發(fā)射機(jī)(插卡)、一個(gè)DC11～36V供電接口和一個(gè)iNET接口。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 旋翼測試系統(tǒng)組成

對(duì)稱分布在機(jī)箱兩側(cè)的鋰電池主/從模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的供電，保證正常情況下系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間不小于8h。鋰電池組和機(jī)箱安裝到圓盤上，最后固定在旋翼軸支架上，系統(tǒng)合計(jì)重7.5kg。

遙測發(fā)射天線通過射頻線安裝在主槳變距拉桿上，遙測接收機(jī)負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的接收，其接收天線安裝在機(jī)艙外的天線座上，遙測接收機(jī)通過電纜與機(jī)艙主采集器連接。

系統(tǒng)工作時(shí)，采集卡將采集到的旋翼信號(hào)傳輸?shù)街骺乜ǎ骺乜▽?shù)據(jù)編碼處理，輸出到發(fā)射卡，發(fā)射機(jī)采用COFDM調(diào)制的無線傳輸方式，將碼流發(fā)射，接收機(jī)天線接收后，由機(jī)艙主采集器采集數(shù)據(jù)并合并碼流記錄。

采用三維有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，極限工作狀態(tài)下，測試系統(tǒng)內(nèi)最大等效應(yīng)力為5.716MPa，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的材料強(qiáng)度極限290MPa，系統(tǒng)不存在強(qiáng)度問題。

模態(tài)分析得出測試系統(tǒng)的一階頻率為297.4Hz，二階頻率457.85Hz，三階頻率517.98Hz，與旋翼系統(tǒng)工作頻率相差較大，不存在共振的可能。

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：測量通道為96個(gè)，采樣率1024Hz/通道，測試精度±0.5%FSR。

3.2 尾槳測試系統(tǒng)

尾槳測試系統(tǒng)安裝在尾軸上，由尾槳遙測旋轉(zhuǎn)組件(轉(zhuǎn)子/定子組件)、位同步器、感應(yīng)電源、堅(jiān)固型控制器、尾槳數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)換軟件組成，見圖2。

遙測轉(zhuǎn)子采用兩個(gè)半圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，通過銷釘定位后用螺栓鎖緊固定在尾軸上。定子同樣采用兩個(gè)半圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，通過螺栓組鎖緊在減速器的伸出套上。

遙測轉(zhuǎn)子與定子不接觸。轉(zhuǎn)子上安裝數(shù)據(jù)采集模塊(功放、模擬低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換卡、FIR濾波器、取樣及PCM編碼模塊、光發(fā)射組件、感應(yīng)受電模塊等)，采集到的信號(hào)經(jīng)編碼后調(diào)制到發(fā)射光上，定子上的接收單元接收調(diào)制后光信號(hào)，接收單元以B-Φ碼格式傳輸數(shù)據(jù)到位同步器，位同步器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)(調(diào)試用)或傳輸至機(jī)身主采集器(試驗(yàn)用)。

圖2 尾槳載荷測試系統(tǒng)組成

遙測轉(zhuǎn)子/定子組件采用感應(yīng)供電，感應(yīng)電源輸出交流電壓給定子上的感應(yīng)送電模塊，經(jīng)感應(yīng)線圈耦合輸電給轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)受電模塊，感應(yīng)受電模塊向數(shù)據(jù)采集模塊供電。

感應(yīng)供電頻率點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生輻射，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)供電頻率來避開對(duì)直升機(jī)機(jī)上電子設(shè)備的干擾。感應(yīng)電源在設(shè)計(jì)上提供了面板以顯示工作頻率，并通過面板按鈕來調(diào)節(jié)工作頻率，感應(yīng)供電波形接近于正弦波。

綜合試驗(yàn)直升機(jī)尾軸的旋轉(zhuǎn)速度為2100rpm，采用有限元分析，得出測試系統(tǒng)極限工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子內(nèi)的最大等效應(yīng)力為2.7745MPa，遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子的材料強(qiáng)度極限290MPa，滿足強(qiáng)度要求(應(yīng)力云圖見圖3)。

模態(tài)分析得出系統(tǒng)的一階頻率2731.3Hz、二階頻率2834.8Hz、三階頻率2943.1Hz。尾槳工作頻率為35Hz，因此測試系統(tǒng)與尾槳不存在動(dòng)力學(xué)耦合問題。

圖3 轉(zhuǎn)子組件應(yīng)力分析云圖

測試系統(tǒng)裝機(jī)前在精密動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)試，并在2100rpm轉(zhuǎn)速和4000rmp轉(zhuǎn)速下各運(yùn)轉(zhuǎn)30min，停機(jī)后檢查轉(zhuǎn)子螺釘、配合面等無松動(dòng)，上電檢查系統(tǒng)工作正常。

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：測量通道：32通道，采樣率2048Hz或4096Hz/通道，測量精度±0.5%FSR。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 地面試驗(yàn)

測試系統(tǒng)裝機(jī)前在特殊環(huán)境中考核了抗電磁干擾和振動(dòng)特性，檢查了高低溫適應(yīng)等能力，裝機(jī)后與直升機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，旋翼系統(tǒng)進(jìn)行無線鏈路調(diào)試、遙測接收機(jī)與機(jī)身主采集器通訊調(diào)試；尾槳系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)電源調(diào)試、遙測數(shù)據(jù)檢測、與主采集器的聯(lián)調(diào)；檢查了機(jī)上電磁兼容性。地面試驗(yàn)表明，測試系統(tǒng)滿足國軍標(biāo)、設(shè)計(jì)指標(biāo)和機(jī)上使用的要求。

4.2 飛行試驗(yàn)

測試系統(tǒng)裝試驗(yàn)機(jī)飛行考核19.5h/13架次，包括懸停、爬升、平飛、巡航、下降、拉平等飛行，同步采集了機(jī)上載荷、振動(dòng)、電壓模擬量、開關(guān)量、RS422總線和Arinc429總線等信號(hào)，典型測試信號(hào)曲線見圖4。

圖4 旋翼槳葉典型測點(diǎn)載荷

采集信號(hào)經(jīng)過機(jī)載主采集器CPU板卡編碼為兩路碼流：一路供機(jī)載記錄子系統(tǒng)進(jìn)行記錄，記錄的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理檢判，結(jié)果正確；另外一路傳輸給機(jī)載遙測發(fā)射子系統(tǒng)向地面遙測安全監(jiān)控站發(fā)射，地面實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行測試數(shù)據(jù)無異常。

整個(gè)試飛過程中測試系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)方便，滿足試驗(yàn)機(jī)對(duì)載荷、振動(dòng)、總線等信號(hào)測試和飛行安全監(jiān)控的需求。

5 結(jié)論

1)根據(jù)旋轉(zhuǎn)測試對(duì)象的結(jié)構(gòu)形式、尺寸及工作轉(zhuǎn)速等特性設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)，滿足綜合試驗(yàn)直升機(jī)研究性試飛對(duì)旋翼系統(tǒng)測試的要求，適用性強(qiáng)。

2) 編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)相比傳統(tǒng)的集流環(huán)等信號(hào)傳輸技術(shù)，測試信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?、效能和信?hào)的質(zhì)量優(yōu)勢(shì)明顯，系統(tǒng)使用壽命也大幅提高。

3) 空心感應(yīng)線圈供電和光信號(hào)傳輸?shù)燃夹g(shù)使得系統(tǒng)的小型化成為可能，測試信號(hào)可加密傳輸，且不易受干擾，解決了高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)部件高精度實(shí)時(shí)測量的需求。