孫燦飛，何 泳，莫固良

(中航工業(yè)上海航空測控技術(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，包括槳葉氣動外形、旋翼及槳葉的動態(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)中的重要檢測內(nèi)容。

旋翼錐體測量主要是檢測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。測量參數(shù)主要有各片槳葉的絕對揮舞值、相對揮舞值以及擺動值，如果某片槳葉形成的錐體出現(xiàn)超差，就需對該槳葉進(jìn)行棱面調(diào)整。

1 單旋翼直升機(jī)錐體的測量方法

根據(jù)使用維護(hù)手冊，直升機(jī)錐體檢查時，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，因為直升機(jī)在水平飛行時，旋翼工作在不對稱的氣流環(huán)境下，容易引起較大振動，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)，振動水平最小。也就是說，僅依據(jù)地面錐體的測量結(jié)果對旋翼做出調(diào)整，不能夠保證直升機(jī)在飛行中的振動水平處于低水平。

很早以前，直升機(jī)在開始投入使用時就要求進(jìn)行旋翼錐體測量，受當(dāng)時技術(shù)水平的限制，測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在白紙筒上留下不同高度的痕跡，用直尺測量它們之間的距離，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量旋翼錐體，同時操作人員須具備相應(yīng)的操作技巧，且具有一定的危險性。

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，對準(zhǔn)槳尖某一固定位置，在每片槳葉到來時，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)，但是使用這種測量方法得到測量結(jié)果仍舊需要“人”的判斷，測量時間長，測量效果受氣象條件影響，有時對測量得到的結(jié)果會有爭議，且測量結(jié)果無法記錄和保持。

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

2 共軸式雙旋翼直升機(jī)旋翼錐體的測量方法

前面提到的兩種旋翼錐體測量方法主要用在單旋翼系統(tǒng)的直升機(jī)，而對于共軸式雙旋翼直升機(jī)，這兩種測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產(chǎn)生不平衡扭矩可實現(xiàn)航向操縱。如果使用標(biāo)桿法，只需標(biāo)桿高度控制合適，就可實現(xiàn)下層旋翼錐體的測量，但進(jìn)行上層旋翼錐體測量時需避開下旋翼，這是傳統(tǒng)的直桿無法實現(xiàn)的。后來有人發(fā)明了可升降的弓形標(biāo)桿，這種標(biāo)桿雖然可以實現(xiàn)上下層旋翼錐體的測量，但無疑更增加了測量的難度、不準(zhǔn)確性和危險性。

圖1 標(biāo)桿法測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，位置相互錯開，所以通過頻閃儀也可實現(xiàn)上下旋翼錐體的測量，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量直升機(jī)旋翼錐體，這種傳感器內(nèi)部安裝有兩個固定光軸夾角為11度的光敏器件，旋翼旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)槳葉通過傳感器上方時，由于槳葉對光線的遮擋效應(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動情況有關(guān)的脈沖信號，揮舞值大的槳葉劃過11度視場的時間就長，反之亦然，這樣就將槳尖的運動參數(shù)變成可以測量的電脈沖信號。測量脈沖見圖2。然后通過幾何關(guān)系和時間關(guān)系的計算(見公式1)，即得到旋翼的絕對與相對揮舞值。

其中，ΔT=T12-T11，T11表示槳葉1前沿進(jìn)入光學(xué)傳感器11度視場時刻值，T12表示槳葉1前沿出11度視場時刻值，T13表示槳葉1后沿出11度視場時刻值，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代表測量的旋翼角速度，h1表示槳葉1絕對揮舞值。`同理，其他槳葉的絕對揮舞值和擺動值也可通過該公式進(jìn)行計算獲得，以某一槳葉為基準(zhǔn)，其他槳葉絕對揮舞值與基準(zhǔn)槳葉絕對揮舞值之差就為相對揮舞值。

這種測量方法可以實現(xiàn)自動、高精度測量，受天氣影響小，也可實現(xiàn)飛行中的錐體自動測量，同時還可以將測量結(jié)果進(jìn)行存儲，為實現(xiàn)對旋翼的故障診斷創(chuàng)造了條件。

圖2 光學(xué)傳感器測量單旋翼直升機(jī)示意圖

2.2 采用光學(xué)傳感器測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，光學(xué)傳感器安裝應(yīng)保持一定角度α，軸線應(yīng)對準(zhǔn)上層槳葉的根部，并適當(dāng)向內(nèi)移動若干厘米。在試驗過程中可以進(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)時位置錯開、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。根據(jù)光學(xué)傳感器的工作原理，形成與單旋翼不同的時序關(guān)系，見圖4。

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

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，同理可計算出其余槳葉的揮舞和擺動值。

圖4 光學(xué)傳感器測量共軸雙旋翼直升機(jī)示意圖

2.3 外場驗證

使用該光學(xué)傳感器測量共軸式雙旋翼直升機(jī)的旋翼錐體的方法在外場進(jìn)行了多次驗證，對存在的比如安裝位置，測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)行多次試驗或改進(jìn)，也與打標(biāo)桿、頻閃儀方法進(jìn)行對比試驗，如圖5，最終結(jié)果令人滿意。

3 結(jié)束語

針對分析共軸式雙旋翼直升機(jī)旋翼錐體的特點，對比標(biāo)桿法、頻閃儀測量方法的缺點和不足，采用光學(xué)傳感器方法測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)也帶動快速、精確、自動、智能的測量方法的出現(xiàn)，為進(jìn)一步實現(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)桿法測量共軸雙旋翼直升機(jī)的結(jié)果對比圖

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