直升機(jī)加裝數(shù)據(jù)中繼設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析

劉浩東，戴京濤

（海軍航空大學(xué)，山東青島 266041）

直升機(jī)空中超視距通信中繼是1項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)性工程，是集數(shù)據(jù)中繼、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等為一體的綜合性技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于探測(cè)偵察、地質(zhì)勘探、搶險(xiǎn)救災(zāi)、交通管控、軍事演習(xí)和航空航天等技術(shù)領(lǐng)域。由于直升機(jī)具有機(jī)艙內(nèi)部空間狹小、機(jī)載設(shè)備安裝密集、頻譜應(yīng)用范圍寬、飛行質(zhì)心變化敏感、氣動(dòng)外形影響較大等特點(diǎn)，這便使直升機(jī)處于非常惡劣的電磁環(huán)境中，且其對(duì)結(jié)構(gòu)加裝具有嚴(yán)格的約束條件[1-5]。因此，必須針對(duì)直升機(jī)加裝數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)這一工程背景開展結(jié)構(gòu)性能和電磁性能技術(shù)研究，正確有效地評(píng)估其加裝后的飛行結(jié)構(gòu)性能和電磁兼容性能，充分發(fā)揮空中數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。

1 直升機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電磁波直線傳播特性和地球曲率的影響，無線數(shù)據(jù)傳輸距離會(huì)受到直視距離的限制，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)B 位于通信節(jié)點(diǎn)A 視線以下的陰影區(qū)域時(shí)，電磁波不能照射到節(jié)點(diǎn)B。地面控制站與超視距任務(wù)設(shè)備采集數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳輸過程就會(huì)出現(xiàn)該類問題，如圖1所示。

圖1 低空通信受視距限制示意圖Fig.1 Diagram of low-altitude communication limited by line-of-sight

根據(jù)視距計(jì)算公式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 高度為H1（m），節(jié)點(diǎn)B 高度為H2（m），那么直視距離D0（km）可以根據(jù)下式近似計(jì)算：

以低空無人飛行器為例，設(shè)飛行高度H1=25 m、控制站高度H2=9 m，根據(jù)式（1）視距限制下的通信距離僅為32.8 km，不滿足多數(shù)情況下的通信距離要求。因此，需要采用空中平臺(tái)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)超低空、超視距數(shù)據(jù)傳輸。利用直升機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^平臺(tái)，合理設(shè)置中繼平臺(tái)的高度和位置，可以利用空中平臺(tái)的高度優(yōu)勢(shì)解決無線通信視距的影響，如圖2所示。

圖2 空中數(shù)據(jù)中繼超視距通信示意圖Fig.2 Diagram of beyond-the-horizon communication by aerial data relay

直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站主要由L/S波段數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)單元、P 波段數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)單元、導(dǎo)航定位單元、數(shù)據(jù)綜合處理及接口單元、遙測(cè)/視頻數(shù)據(jù)處理記錄單元、控制數(shù)據(jù)記錄單元、供電單元等組成（如圖3 所示）。

圖3 直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站部件組成圖Fig.3 Component composition of helicopter data relay and forwarding station

數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站主要用于在超視距的情況下接收、解調(diào)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)設(shè)備和地面站的數(shù)據(jù)，保障地面站與超視距任務(wù)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和指令的有效下達(dá)。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)及指令記錄在存儲(chǔ)器中，可以在任務(wù)結(jié)束后下載，用于事后分析。數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站原理如圖4所示。

圖4 直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站組成簡圖Fig.4 Composition diagram of helicopter data relay and forwarding station

2 中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)加裝方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

為了使某型直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站加改裝后能夠滿足任務(wù)要求，確保改裝工程質(zhì)量，改裝設(shè)計(jì)須遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6-12]和以下原則：

1）不影響該型直升機(jī)的原有功能；

2）改裝后的直升機(jī)全部系統(tǒng)應(yīng)具有良好的電磁兼容性，確保全機(jī)設(shè)備正常工作；

3）改裝設(shè)備布局應(yīng)合理，并與原機(jī)設(shè)備相協(xié)調(diào)，對(duì)直升機(jī)質(zhì)心、氣動(dòng)特性的影響應(yīng)盡可能??；

4）改裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在綜合考慮強(qiáng)度、剛度和耐久性的前提下，改裝方案應(yīng)盡量簡化結(jié)構(gòu)，減少直升機(jī)的增重；

5）加裝設(shè)備應(yīng)便于使用和維護(hù)，具有良好的可靠性、維修性和可達(dá)性；

6）任務(wù)結(jié)束，拆除數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站后，對(duì)直升機(jī)不產(chǎn)生破壞性損傷；

7）改裝工程實(shí)施應(yīng)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。

2.2 加裝方案

1）中繼轉(zhuǎn)發(fā)站機(jī)內(nèi)設(shè)備安裝。

直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站主機(jī)、工控機(jī)、電池組采用專用結(jié)構(gòu)連接件、固定件、安裝架，通過底座安裝于機(jī)艙內(nèi)，由機(jī)艙內(nèi)主機(jī)電池組單獨(dú)供電；GPS 天線通過結(jié)構(gòu)連接件、固定件、專用安裝架安裝于駕駛艙前玻璃面板；斷路器組安裝于駕駛艙內(nèi)右駕前面板。

2）數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站天線陣安裝。

數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站天線陣包括天線陣1 和天線陣2。天線陣1安裝于機(jī)身右側(cè)，采用安裝掛架和結(jié)構(gòu)件與原機(jī)掛點(diǎn)相連接固定，安裝掛架上配裝2 套天線底座，f1MHz 天線和8 波段天線分別安裝在底座上，兩天線間距約1.4 m；天線陣2 安裝于直升機(jī)左側(cè)，采用安裝掛架和結(jié)構(gòu)件與原機(jī)掛點(diǎn)相連接固定，安裝掛架上配裝3套天線底座，其中f2MHz天線和L波段天線安裝在臨近的兩天線底座上。8波段天線安裝在距離f2MHz 天線約1.4 m 的對(duì)稱天線底座上，天線陣掛架結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩天線陣掛架平行于機(jī)身安裝。

圖5 天線陣安裝掛架結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Construction detail of mounting rack for antenna array

3 加裝設(shè)備后飛行結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分析

直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站主機(jī)、工控機(jī)、電池組采用專用結(jié)構(gòu)連接件、固定件、安裝架，通過底座安裝于機(jī)艙內(nèi)，安裝支架主體材料為LY12 角鋁，規(guī)格為20 mm×20 mm×1.5 mm ，其抗拉強(qiáng)度為470 MPa，屈服強(qiáng)度325 MPa。將角鋁橫截面積與材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行乘積計(jì)算可得，該支架可承受18 769 N的力而不發(fā)生變形。固定鉚釘直徑為3.5 mm，材質(zhì)為LY10，剪切強(qiáng)度為250 MPa，采用4 個(gè)鉚釘固定在機(jī)體安裝板上。將4個(gè)鉚釘總截面積與材料剪切強(qiáng)度進(jìn)行乘積計(jì)算可得，支架可承受9 616 N 的力而不剪切斷裂。固定螺栓材質(zhì)為30CrMnSiA，屈服強(qiáng)度為835 MPa，用4個(gè)M5 螺栓固定在機(jī)體安裝板上，同鉚釘計(jì)算方式可得，螺栓連接可承受65 547 N的力而不剪切斷裂。設(shè)備自重8 kg，直升機(jī)最大過載按照4g計(jì)算，能產(chǎn)生的最大載荷為388 N。通過將支架最大可承受載荷值除以直升機(jī)產(chǎn)生的最大過載載荷值可得，設(shè)備安裝安全系數(shù)達(dá)到48，完全符合航空件安裝需要。設(shè)備安裝滿足其安裝要求，不會(huì)對(duì)設(shè)備架原有強(qiáng)度構(gòu)成影響[13-14]。

發(fā)射天線安裝于機(jī)腹前端，按照航空標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加強(qiáng)及密封處理，使強(qiáng)度滿足天線安裝要求。另外，發(fā)射天線質(zhì)量僅為0.2 kg，安裝發(fā)射天線后不會(huì)對(duì)直升機(jī)原有強(qiáng)度構(gòu)成影響。因此，直升機(jī)加裝數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)后，仍可保持原機(jī)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度[15]。

3.2 加裝后質(zhì)心變化分析

機(jī)體質(zhì)心計(jì)算公式為：

式（2）中：ΔX為質(zhì)心偏移距離；為外加載荷產(chǎn)生的靜力矩為直升機(jī)的最小起飛質(zhì)量。

已知某型直升機(jī)的最小起飛質(zhì)量為12 330 kg，發(fā)射機(jī)質(zhì)量為7 kg，加密機(jī)質(zhì)量為0.5 kg，控制盒質(zhì)量為0.5 kg，安裝架等其他設(shè)備質(zhì)量為0.5 kg，安裝位置距離原質(zhì)心坐標(biāo)為2.6 m。整體安裝完畢后，產(chǎn)生靜力矩為：

將上述數(shù)據(jù)代入質(zhì)心公式計(jì)算，其質(zhì)心前移為：

即在安裝后，質(zhì)心向前移動(dòng)約2 mm，最小起飛質(zhì)量下，質(zhì)心向后移動(dòng)約2 mm。而機(jī)體質(zhì)心正常容差為±16 mm，完全符合要求[16-18]。

因此改裝后的直升機(jī)的質(zhì)心位置影響可忽略不計(jì)。實(shí)際上，設(shè)備安裝對(duì)機(jī)體質(zhì)心的影響，要小于機(jī)組成員的個(gè)體體重差異所造成的影響。

3.3 氣動(dòng)特性分析

直升機(jī)的空氣動(dòng)力特性取決于直升機(jī)的空氣動(dòng)力布局和空氣動(dòng)力外形。

直升機(jī)空氣阻力計(jì)算公式為：

式（3）中：ρ為機(jī)身前方空氣密度，取值2 kg/m3；v是飛行速度，取最大速度240 km/h；CD是風(fēng)阻系數(shù)，取值0.5；A為迎風(fēng)面積。

除發(fā)射天線安裝于直升機(jī)表面外，所有其他部件均安裝于機(jī)身內(nèi)。

對(duì)于發(fā)射天線，其迎風(fēng)面積A為0.000 9 m2，因此其所受阻力為：

可見，即使直升機(jī)處于最大飛行速度情況下，發(fā)射天線所受阻力也是極其微小的，對(duì)于飛行的影響可以忽略不計(jì)[19-20]。

4 直升機(jī)加裝后電磁兼容和通信性能分析

4.1 電磁兼容性能分析

直升機(jī)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站工作頻率分別為f1MHz和f2MHz，轉(zhuǎn)發(fā)器接收頻率為f3MHz～f4MHz，發(fā)射頻率為f5MHz～f6MHz。由于工作頻率與機(jī)上其他電子設(shè)備工作頻率或諧波頻率有部分重合，可能具有電磁不兼容的風(fēng)險(xiǎn)，因此，任務(wù)前，應(yīng)使用電磁輻射綜合場強(qiáng)儀和其他專用儀器對(duì)電磁輻射情況進(jìn)行檢測(cè)分析，以確保電磁兼容性[21-23]。但通過前期的多架次使用驗(yàn)證，證明電磁兼容性良好。

4.2 通信性能分析

由于不同頻率天線受所處環(huán)境的影響，收發(fā)效果有較大差別，因此，根據(jù)已設(shè)計(jì)的天線安裝結(jié)構(gòu)和安裝位置進(jìn)行仿真分析[24-25]。直升機(jī)的天線陣安裝位置均位于機(jī)身兩側(cè)靠下方專用安裝架上，圖6～9 選取f1和f2這2個(gè)工作頻率對(duì)天線輻射性能進(jìn)行仿真分析。

圖6 f1 天線方向圖1Fig.6 Antenna pattern 1 for f1

圖7 f1 天線方向圖2Fig.7 Antenna pattern 2 for f1

圖9 f2 天線方向圖2Fig.9 Antenna pattern 2 for f2

從天線的極坐標(biāo)以及二維方向性圖可知，在2 個(gè)頻點(diǎn)下，天線各方向性圖變化較小，電平起伏不大于3 dB。

L 波段3 個(gè)不同仰角下天線的二維方向性，如圖10所示。

圖10 L波段天線方向圖Fig.10 Antenna pattern for L-band

可知，在仰角20°和10°，天線各個(gè)方向輻射特性良好，電平起伏不大于2 dB，因此，天線在機(jī)身下側(cè)通信性能良好，滿足中繼要求。

5 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)空中數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站可有效滿足超視距情況下任務(wù)設(shè)備和地面站之間的數(shù)據(jù)接收、解調(diào)、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，保障地面站與超視距任務(wù)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和指令的有效下達(dá)。

2）該空中數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站在直升機(jī)上的加裝方案符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，未改變直升機(jī)原有結(jié)構(gòu)，且便于使用和維護(hù)，并具有良好的可靠性、維修性和可達(dá)性。

3）通過分析直升機(jī)加裝后飛行結(jié)構(gòu)性能，空中數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站加裝后，不會(huì)對(duì)設(shè)備架原有強(qiáng)度構(gòu)成影響，仍可保持原機(jī)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度；改裝后，對(duì)直升機(jī)的質(zhì)心位置影響可忽略不計(jì)；即使直升機(jī)處于最大飛行速度情況下，發(fā)射天線所受阻力也是極其微小的，對(duì)飛行的影響可以忽略不計(jì)。

4）通過分析直升機(jī)加裝后的電磁兼容和通信性能，電磁兼容性良好，天線在機(jī)身側(cè)下方環(huán)境下，方向圖變化較小，符合設(shè)計(jì)要求。