某型號(hào)直升機(jī)超短波電臺(tái)電磁干擾問題研究

張 海 路 杰 沈凌志

（昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

隨著越來(lái)越多的新技術(shù)被應(yīng)用于直升機(jī)上，直升機(jī)電磁干擾問題也不斷出現(xiàn)。如何快速有效找出并解決因電磁干擾而產(chǎn)生的故障，成為直升機(jī)技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題。某型號(hào)直升機(jī)在超短波電臺(tái)發(fā)射時(shí)，空調(diào)出現(xiàn)異常并停止工作，本研究以該故障為研究對(duì)象，通過分析故障原理，基于故障樹來(lái)快速尋找干擾原因，并制定詳細(xì)的方案機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，在直升機(jī)電磁兼容優(yōu)化方面開展研究，力求減少此類問題的發(fā)生。

1 概述

直升機(jī)通信系統(tǒng)可完成空空視距、空地視距和超視距的語(yǔ)音通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)乘員間的通話，接收組合設(shè)備的音頻信號(hào)。作為直升機(jī)的短程通信系統(tǒng)，超短波系統(tǒng)基于空間波及視距傳播來(lái)完成通信，相較于短波通過大氣電離層反射來(lái)傳播的方式，其具有可靠性高，受季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)活動(dòng)影響較小的特點(diǎn)［1］。

空調(diào)系統(tǒng)作為直升機(jī)的輔助系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)駕駛艙環(huán)境溫度，能有效滿足飛行員對(duì)使用舒適性的需求，并提高直升機(jī)的人性化設(shè)計(jì)水平。當(dāng)超短波系統(tǒng)工作時(shí)，如果空調(diào)出現(xiàn)異常，并停止工作，將極大地降低飛行員的舒適度，導(dǎo)致直升機(jī)整體質(zhì)量水平下降。

2 故障現(xiàn)象及原理分析

2.1 故障現(xiàn)象

某型號(hào)直升機(jī)在執(zhí)行試飛任務(wù)時(shí)，當(dāng)使用超短波電臺(tái)2 進(jìn)行通話時(shí)，直升機(jī)制冷系統(tǒng)會(huì)停止工作，且制冷控制盒的面板上顯示“E04”故障代碼，但在使用超短波電臺(tái)1 進(jìn)行通話時(shí)，空調(diào)能正常工作。

2.2 原理分析

直升機(jī)蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)通過液態(tài)制冷劑相變來(lái)吸收座艙內(nèi)的熱量，使空氣在進(jìn)入座艙或設(shè)備艙前溫度顯著降低［2］。該系統(tǒng)由蒸發(fā)器組件、冷凝器組件、壓縮機(jī)組件、制冷電控盒和制冷控制盒等組成。制冷時(shí)，電控盒會(huì)發(fā)信號(hào)給壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將壓縮機(jī)抽吸蒸發(fā)器出口的低溫低壓制冷劑蒸汽壓縮成高溫高壓氣體，并排至冷凝器，該高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器中被風(fēng)機(jī)抽吸的外界大氣冷卻，冷凝成溫度和壓力較高的液體，經(jīng)儲(chǔ)液器后進(jìn)入膨脹閥節(jié)流膨脹，溫度和壓力會(huì)急劇下降，變?yōu)橐环N低溫氣液混合物。該混合物流入蒸發(fā)器，與蒸發(fā)風(fēng)機(jī)抽吸的駕駛艙暖濕空氣進(jìn)行熱交換，通過吸熱蒸發(fā)變成低壓蒸汽，重新回到壓縮機(jī)中，至此完成一個(gè)循環(huán)。同時(shí)，艙內(nèi)暖濕空氣在蒸發(fā)器中放熱冷卻，通過送風(fēng)口供給駕駛艙用于制冷，如此循環(huán)往復(fù)，可達(dá)到制冷的目的。通風(fēng)時(shí)，壓縮機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，在蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的攪動(dòng)下，駕駛艙內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)。

制冷電控盒由控制組件、電源濾波組件、隔離電源、故障檢測(cè)組件、接觸器組件、電子開關(guān)組件、電流電壓采樣電路等組成。控制組件由單片微機(jī)和FPGA 組成，可完成產(chǎn)品輸入、輸出的控制處理；機(jī)上直流電壓經(jīng)濾波及瞬變抑止后，通過隔離電源模塊輸出5 V、+12 V 的工作電壓，作為產(chǎn)品內(nèi)部各組件的工作電源；制冷操縱盒傳輸?shù)目刂浦噶罱?jīng)通信電路處理后輸入控制組件，控制組件控制對(duì)應(yīng)的接觸器或電子開關(guān)的通斷；27 V 電源電壓、三相交流電壓經(jīng)電流電壓取樣電路后，通過輸出器的輸出觸點(diǎn)和電子開關(guān)輸出給大電流負(fù)載，從而完成對(duì)大電流負(fù)載的啟∕停控制；故障檢測(cè)組件對(duì)接收到的負(fù)載電流取樣電壓、27 V 電源電壓、三相交流電壓、三相工作電流、壓力信號(hào)和超溫信號(hào)等進(jìn)行差分比較處理，輸出有效時(shí)為12 V、無(wú)效時(shí)為0 V，且與機(jī)上27 V電源完全隔離的故障告警信號(hào)，一起輸送給冷操縱盒進(jìn)行分析處理。

根據(jù)該型號(hào)直升機(jī)駕駛艙制冷系統(tǒng)安裝與調(diào)試技術(shù)條件，故障代碼“E04”是指電磁離合器發(fā)生斷路故障。MCU 控制器發(fā)出控制信號(hào)，使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流采集芯片采集采樣電阻兩端的電壓，采樣電阻兩端的電壓經(jīng)差分放大器放大10 倍，并疊加在2.5 V基準(zhǔn)上，輸入至短路、斷路故障電路中。當(dāng)此電壓大于短路通道設(shè)定的門限電壓（2.83 V）時(shí)，輸出電磁離合器短路故障的信號(hào)；當(dāng)此電壓當(dāng)小于斷路通道設(shè)定的門限電壓（2.525 V）時(shí)，輸出電磁離合器斷路故障的信號(hào)。

3 故障分析及處理

3.1 故障初步分析

通過分析故障現(xiàn)象，結(jié)合系統(tǒng)原理，對(duì)成品故障、線路異常和電磁干擾等方面進(jìn)行分析，并對(duì)故障進(jìn)行定位、驗(yàn)證和處理。

3.2 故障定位

按照故障初步分析結(jié)果，依次對(duì)機(jī)器故障進(jìn)行檢查。①按系統(tǒng)線路圖對(duì)空調(diào)系統(tǒng)線路進(jìn)行導(dǎo)通檢查，未發(fā)現(xiàn)問題。②更換確認(rèn)功能正常的制冷電控盒后進(jìn)行地面驗(yàn)證，故障未消失。③更換確認(rèn)功能正常的制冷操縱盒后進(jìn)行地面驗(yàn)證，故障未消失。④對(duì)超短波天線進(jìn)行接地打磨操作，測(cè)量接地電阻后進(jìn)行地面驗(yàn)證，故障依然存在，再進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)檢查，未發(fā)現(xiàn)問題。⑤更換不同廠家生產(chǎn)的駕駛艙循環(huán)制冷裝置進(jìn)行地面驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在更換A 廠和B 廠的蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置后，故障消失，但更換C 廠的蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置后，故障依然存在。⑥對(duì)三個(gè)廠家的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)C 廠的蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置內(nèi)部安裝了電磁離合器，而其他兩個(gè)廠家的產(chǎn)品未安裝電磁離合器。⑦結(jié)合“E04”故障原理可以發(fā)現(xiàn)，制冷電控盒會(huì)對(duì)經(jīng)過蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置內(nèi)部電磁離合器的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電流的波動(dòng)超過500 mA 時(shí)，制冷電控盒會(huì)自行切斷對(duì)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的供電，從而起到對(duì)蒸發(fā)循環(huán)制冷裝置的保護(hù)作用。

由于機(jī)上超短波電臺(tái)1 發(fā)射時(shí)空調(diào)仍能正常工作，進(jìn)一步推斷導(dǎo)致故障產(chǎn)生的原因?yàn)槌滩娕_(tái)2發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾導(dǎo)致空調(diào)停止工作。

3.3 故障驗(yàn)證

將制冷電控盒內(nèi)部的門限電流調(diào)整為450 mA后，進(jìn)行地面通電驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)超短波電臺(tái)2 的頻率低于129 MHz 時(shí)，空調(diào)可正常工作；當(dāng)頻率高于129 MHz時(shí)，部分頻率仍會(huì)導(dǎo)致空調(diào)停止工作。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，制定以下驗(yàn)證方案。①將制冷電控盒內(nèi)部的門限電流按照450 mA、400 mA、350 mA、300 mA、250 mA、200 mA、150 mA、100 mA逐步向下調(diào)整。②在不同門限電流下，分別測(cè)試超短波電臺(tái)2 在工作頻率中是否會(huì)導(dǎo)致空調(diào)停止工作。

由地面驗(yàn)證結(jié)果可知，當(dāng)制冷電控盒的門限電流調(diào)整為150 mA時(shí)，超短波電臺(tái)2工作時(shí)不會(huì)導(dǎo)致空調(diào)停止工作。

為充分驗(yàn)證150 mA 的門限電流能否滿足空調(diào)正常工作的要求，對(duì)調(diào)整后的制冷電控盒進(jìn)行多次試飛驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果無(wú)問題。

3.4 故障處理

通過地面試驗(yàn)和空中飛行驗(yàn)證可知，該故障是由制冷電控盒內(nèi)部的門限電流設(shè)置不合理而導(dǎo)致的，超短波電臺(tái)2 在工作時(shí)，空調(diào)內(nèi)部因自我保護(hù)而停止工作。當(dāng)制冷電控盒的門限電流調(diào)整為150 mA 后，超短波電臺(tái)2工作時(shí)不會(huì)導(dǎo)致空調(diào)停止工作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，150 mA 的門限電流能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的自我保護(hù)。

經(jīng)過上述測(cè)試與分析，將制冷電控盒的門限電流調(diào)整為150 mA，可有效解決此類問題，且調(diào)整制冷電控盒的門限電流后，在后續(xù)飛行過程中，直升機(jī)未再出現(xiàn)該類故障。

4 問題解決方法

對(duì)超短波電臺(tái)發(fā)射時(shí)空調(diào)出現(xiàn)異常并停止工作的故障進(jìn)行排查，從排查過程和結(jié)果來(lái)看，直升機(jī)制造過程中的前期電磁兼容試驗(yàn)是十分重要的。如果前期電磁兼容試驗(yàn)足夠全面，能在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決該問題，就可避免該問題在直升機(jī)試飛時(shí)才暴露，影響直升機(jī)的質(zhì)量。目前，直升機(jī)電磁兼容是按設(shè)計(jì)部門的試驗(yàn)大綱進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而電磁兼容的要求和改進(jìn)則基于實(shí)際問題的數(shù)據(jù)積累。隨著直升機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部和外部電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)電磁兼容評(píng)估技術(shù)也要有新的突破［3］，所以電磁兼容研究和優(yōu)化對(duì)直升機(jī)整體質(zhì)量的提高起到關(guān)鍵作用。

4.1 電磁兼容性問題發(fā)生的基本原因

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是機(jī)上復(fù)雜的航電系統(tǒng)還是簡(jiǎn)單的成品，任何一個(gè)電磁兼容故障的發(fā)生必須要具備三個(gè)基本條件，即有一個(gè)穩(wěn)定的干擾源、有傳播干擾能量的途徑或通道、必須有被干擾對(duì)象進(jìn)行響應(yīng)。

必須同時(shí)滿足以上三個(gè)基本條件，直升機(jī)才會(huì)出現(xiàn)電磁兼容性問題，所以要解決基本的電磁兼容性故障，就至少要解決以上三個(gè)必須條件中的一個(gè)。

4.2 電磁兼容性問題解決的基本方法

針對(duì)直升機(jī)電磁兼容性問題產(chǎn)生的三個(gè)必須條件，只要對(duì)其中任何一個(gè)條件進(jìn)行排故工作，就可解決電磁兼容性問題。

4.2.1 消除穩(wěn)定的干擾源。一般來(lái)說，直升機(jī)上的穩(wěn)定干擾源一般是機(jī)上成品。如果機(jī)上成品是穩(wěn)定的干擾源，就可通過組合頻譜儀和接收天線、電流環(huán)或電磁環(huán)進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位。干擾源的具體表現(xiàn)形式為成品內(nèi)晶振震蕩輻射、高壓高電流系統(tǒng)對(duì)空氣的電暈放電或通信（廣播、定位）等大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備對(duì)外發(fā)射無(wú)線電波。①解決成品內(nèi)晶振震蕩輻射的方法。對(duì)成品內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在不影響成品功能的前提下，更改成品內(nèi)部的晶振頻率，完成成品自屏蔽的更改工作，同時(shí)在條件允許的情況下，將成品接插件更換為屏蔽接插件。②解決高壓高電流系統(tǒng)對(duì)空氣電暈放電的方法。將相應(yīng)高壓高電流系統(tǒng)的電源電纜更換為屏蔽電纜，如果電纜無(wú)法更換，可在相關(guān)線路上套上屏蔽套，一般此類干擾為低頻干擾，屏蔽收頭要以單端接地的方式進(jìn)行接地。由于通信、廣播、定位等大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備屬機(jī)上成品功能性設(shè)備，主要通過發(fā)射天線對(duì)外發(fā)射電磁波，暫時(shí)無(wú)法對(duì)其做出相應(yīng)更改，最好的解決辦法是頻率隔離，在直升機(jī)設(shè)計(jì)階段合理分配頻率分布及對(duì)發(fā)射天線實(shí)施隔離分布。

4.2.2 隔斷干擾能量的傳播途徑或通道。通常情況下，電磁干擾的傳播途徑有兩個(gè)，一是傳導(dǎo)傳播，二是輻射傳播。①傳導(dǎo)傳播最基本特征是干擾源與敏感器件之間必須有完整的電路連接，干擾信號(hào)沿電路傳至敏感器件?？赏ㄟ^組合示波器、萬(wàn)用表、負(fù)載組合而成的接收回路對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，從而定位干擾源，傳播電路包括導(dǎo)線、設(shè)備導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平面電阻等。解決電磁干擾傳導(dǎo)傳播途徑的方法如下：重新更改機(jī)上相應(yīng)接地系統(tǒng)，做到合理分流；在條件允許的情況下，將機(jī)上相關(guān)成品搭接電阻調(diào)整為最小狀態(tài)，滿足電磁兼容搭接需求；在重大干擾信號(hào)傳輸電路線路中，按照其信號(hào)特性來(lái)增加相應(yīng)濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除或衰減干擾信號(hào)。②輻射傳播的最基本特征是電磁干擾信號(hào)通過介質(zhì)以電磁波形式進(jìn)行傳播，干擾能量按照電磁場(chǎng)規(guī)律向周圍空間發(fā)射，輻射傳播包括天線輻射、產(chǎn)品晶振輻射、電源線電磁場(chǎng)輻射等。解決電磁干擾輻射傳播途徑的方法如下：在相應(yīng)高壓高電流系統(tǒng)電源線路上套上屏蔽套，斷絕其向外產(chǎn)生電磁場(chǎng)；在系統(tǒng)布局時(shí)，將容易相互干擾的設(shè)備盡量安排的較遠(yuǎn)，通過空間隔離來(lái)減小相互干擾信號(hào)；機(jī)上電纜布線時(shí)，導(dǎo)線的拐彎應(yīng)為圓角，同時(shí)盡量限制平行線間的最小距離；容易干擾的機(jī)上電路板布線時(shí)，信號(hào)線與電源線必須交叉的地方要使導(dǎo)線互相垂直，同時(shí)規(guī)定線與線之間的最小間隔；盡量將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳播；設(shè)備要安全合理接地，滿足電磁兼容性搭接要求；若存在不可避免的情況，應(yīng)將機(jī)上使用頻率按時(shí)間或功能性分布進(jìn)行管制。

4.2.3 減少被干擾對(duì)象的響應(yīng)。電磁干擾的傳播途徑有兩個(gè)，一是傳導(dǎo)傳播，二是輻射傳播。與之相對(duì)應(yīng)的，被干擾的敏感設(shè)備與干擾的耦合途徑也有兩個(gè)，一是傳導(dǎo)耦合，二是輻射耦合。減少被干擾對(duì)象響應(yīng)的方法如下：優(yōu)化被干擾成品的內(nèi)部電路，增加相應(yīng)濾波器選擇性抑制干擾；成品搭接電阻做到最小，采用最好的接地技術(shù)，滿足電磁兼容搭接需求；對(duì)容易被干擾的相關(guān)線路采用屏蔽技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽；在被干擾設(shè)備成品內(nèi)部信號(hào)輸入端增加濾波器來(lái)過濾干擾信號(hào)；對(duì)容易被干擾的設(shè)備外部采用自屏蔽技術(shù)，同時(shí)采用屏蔽接插件對(duì)外部干擾信號(hào)進(jìn)行隔絕；成品內(nèi)部采用合理的接地技術(shù)，分離與引導(dǎo)消除干擾信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

直升機(jī)從研制到最后批量生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)許多問題，這些問題可能是直升機(jī)維護(hù)性問題，也可能是選材問題，還有可能是需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的問題［4］。通過上述故障案例分析可知，該故障是由制冷電控盒的門限電流設(shè)置不合理導(dǎo)致的，通過多次地面試驗(yàn)和飛行驗(yàn)證，最終可找出既能保護(hù)空調(diào)系統(tǒng)，又不會(huì)影響到直升機(jī)正常工作的電流值，但該故障在直升機(jī)電磁兼容試驗(yàn)時(shí)能被發(fā)現(xiàn)，所以在后續(xù)的直升機(jī)研制過程中，應(yīng)制定全面的整機(jī)電磁干擾試驗(yàn)計(jì)劃，從而避免類似故障的出現(xiàn)。