劉搏

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001)

1 背景

直升機(jī)旋翼防除冰技術(shù)作為保證直升機(jī)在結(jié)冰氣象條件下安全飛行的關(guān)鍵技術(shù)，在經(jīng)歷“十五”和“十一五”預(yù)先研究工作之后，首次應(yīng)用于直升機(jī)上。

目前作為直升機(jī)旋翼防除冰的監(jiān)控及執(zhí)行部件，旋翼防除冰電控子系統(tǒng)其供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理、控制律的設(shè)計(jì)是否正確以及旋翼防除冰工作時(shí)對(duì)機(jī)上電源系統(tǒng)的影響等驗(yàn)證工作變得十分必要。然而國(guó)內(nèi)關(guān)于旋翼防除冰電控子系統(tǒng)地面驗(yàn)證工作均未能提出一套完整的驗(yàn)證方案。

鑒于上述問(wèn)題，在充分理解直升機(jī)旋翼防除冰工作原理的前提下，本文提供了一種旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)，能使該系統(tǒng)在地面試驗(yàn)室得到驗(yàn)證。

2 設(shè)計(jì)方法

目前直升機(jī)旋翼防除冰組成及原理框圖見(jiàn)圖1，按照功能劃分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：探測(cè)子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)以及加熱子系統(tǒng)。

探測(cè)子系統(tǒng)用于探測(cè)直升機(jī)所處環(huán)境的大氣溫度及結(jié)冰情況，由大氣溫度傳感器和結(jié)冰探測(cè)器組成：大氣溫度傳感器用于探測(cè)直升機(jī)所處環(huán)境的大氣溫度，由PT100鉑電阻、殼體及連接器組成，其基本原理為PT100鉑電阻受到溫度變化后引起阻值變化，通過(guò)測(cè)量其阻值，能準(zhǔn)確反映出當(dāng)前傳感器所處環(huán)境的溫度；結(jié)冰探測(cè)器用于給出結(jié)冰告警信號(hào)，其基本原理為結(jié)冰探測(cè)器探頭以固有的額定頻率振動(dòng)，當(dāng)探頭處受到冰層覆蓋后，探頭的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)振動(dòng)頻率的改變反應(yīng)探頭處的結(jié)冰厚度，當(dāng)結(jié)冰厚度到達(dá)告警閾值時(shí)，同時(shí)給出告警信號(hào)。

大氣溫度傳感器和結(jié)冰探測(cè)器將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電控子系統(tǒng)。電控子系統(tǒng)作為旋翼防除冰的重要部件，由旋翼防除冰控制器、防除冰控制面板、防除冰配電盒、主槳集流環(huán)和尾槳集流環(huán)組成：旋翼防除冰控制器在接收到探測(cè)子系統(tǒng)大氣溫度及結(jié)冰告警數(shù)據(jù)后，依據(jù)給定的控制律將主、尾槳加熱控制指令發(fā)送給防除冰配電盒，同時(shí)將工作狀態(tài)發(fā)送給綜合顯示及告警系統(tǒng)；防除冰配電盒根據(jù)旋翼防除冰控制器發(fā)出的控制指令，將旋翼防除冰加熱電源分配給主槳集流環(huán)和尾槳集流環(huán)。

主槳集流環(huán)由靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉(zhuǎn)部件連接主槳加熱組件，靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件通過(guò)電刷接觸，用于將防除冰配電盒輸出的主槳加熱電源傳輸至主槳加熱組件中，從而實(shí)現(xiàn)主槳防除冰的供電及控制功能。

尾槳集流環(huán)由靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉(zhuǎn)部件連接尾槳加熱組件，靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件通過(guò)電刷接觸，用于將防除冰配電盒輸出的尾槳加熱電源傳輸至尾槳加熱組件中，從而實(shí)現(xiàn)尾槳防除冰的供電及控制功能。

加熱子系統(tǒng)由安裝在主槳葉內(nèi)部的主槳加熱組件和安裝在尾槳葉內(nèi)的尾槳加熱組件組成，均由高精度航空電阻組成，用于將主、尾槳加熱電源轉(zhuǎn)化成熱能，旋翼防除冰工作時(shí)主、尾槳葉內(nèi)部的加熱組件發(fā)熱導(dǎo)致槳葉表面溫度高于槳葉表面結(jié)冰溫度，從而實(shí)現(xiàn)主、尾槳葉的防除冰功能。

圖1 旋翼防除冰原理框圖

根據(jù)當(dāng)前直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)組成及原理，為了驗(yàn)證電控子系統(tǒng)，需要對(duì)旋翼防除冰電控子系統(tǒng)的輸入條件即探測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行模擬，因此，本文采用了電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)冰信號(hào)和大氣溫度信號(hào)的模擬，建立防除冰系統(tǒng)工作的輸入條件：選用高精度電阻對(duì)大氣溫度傳感器進(jìn)行模擬；選用智能化數(shù)字信號(hào)發(fā)生器對(duì)結(jié)冰探測(cè)器的振動(dòng)頻率進(jìn)行模擬，完成了旋翼防除冰電控子系統(tǒng)輸入環(huán)境的搭建。

其次，本文選用了大功率阻性負(fù)載，用于模擬加熱子系統(tǒng)，完成了旋翼防除冰電控子系統(tǒng)輸出環(huán)境的搭建。

第三，考慮實(shí)際工作情況時(shí)，主、尾槳集流環(huán)均處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，本文采用了伺服電機(jī)與集散式控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)集流環(huán)組件運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)和控制，其中運(yùn)轉(zhuǎn)部分為空心電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，最大程度的模擬了產(chǎn)品在直升機(jī)上的真實(shí)安裝情況。

最后，由于旋翼防除冰實(shí)際工作時(shí)，加熱子系統(tǒng)的主、尾槳加熱組件均安裝在旋轉(zhuǎn)的主、尾槳葉中，在試驗(yàn)室的驗(yàn)證過(guò)程中，考慮試驗(yàn)的可實(shí)施性及安全性，無(wú)法將模擬加熱子系統(tǒng)的大功率阻性負(fù)載同實(shí)際情況的主、尾槳葉一樣處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，本文采用大功率多路工藝集流環(huán)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換，解決主、尾槳加熱組件實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下模擬負(fù)載的加載問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了旋翼防除冰電控系統(tǒng)成品驗(yàn)證的功能。

基于上述設(shè)計(jì)思路，本文提出的驗(yàn)證技術(shù)包含信號(hào)模擬器、低速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)、測(cè)試控制臺(tái)、中頻地面電源、主槳模擬負(fù)載和尾槳模擬負(fù)載，原理框圖見(jiàn)圖2。

（1）信號(hào)模擬器

模擬防除冰探測(cè)子系統(tǒng)輸出的相關(guān)參數(shù)，包括大氣溫度信號(hào)及結(jié)冰告警信號(hào)，由高精度電阻、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、指示燈和工控機(jī)組成：高精度電阻用于模擬大氣溫度傳感器；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器用于模擬結(jié)冰探測(cè)器；指示燈用于模擬機(jī)上的告警指示燈；工控機(jī)用于模擬旋翼防除冰控制器的上位機(jī)，與旋翼防除冰控制器進(jìn)行RS422通信，實(shí)時(shí)顯示旋翼防除冰控制器與機(jī)上的通訊信息。

（2）低速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)

低速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)用于模擬主槳集流環(huán)組件安裝環(huán)境，由低速伺服電機(jī)和大功率工藝集流環(huán)組成。低速伺服電機(jī)用于模擬機(jī)上主槳轉(zhuǎn)速；大功率工藝集流環(huán)由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成：動(dòng)環(huán)與主槳集流環(huán)的旋轉(zhuǎn)部件相連，靜環(huán)與主槳模擬負(fù)載相連，低速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)，主槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—主槳集流環(huán)靜止部件（靜止）—主槳集流環(huán)旋轉(zhuǎn)部件（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)動(dòng)環(huán)（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)靜環(huán)（靜止）—主槳模擬負(fù)載。從而實(shí)現(xiàn)主槳加熱電信號(hào)從動(dòng)態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換功能。

（3）高速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)

高速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)用于模擬尾槳集流環(huán)組件安裝環(huán)境，由高速伺服電機(jī)和大功率工藝集流環(huán)組成。高速伺服電機(jī)用于模擬機(jī)上尾槳轉(zhuǎn)速；大功率工藝集流環(huán)由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成：動(dòng)環(huán)與尾槳集流環(huán)的旋轉(zhuǎn)部件相連，靜環(huán)與尾槳模擬負(fù)載相連，高速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)，尾槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—尾槳集流環(huán)靜止部件（靜止）—尾槳集流環(huán)旋轉(zhuǎn)部件（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)動(dòng)環(huán)（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)靜環(huán)（靜止）—尾槳模擬負(fù)載。從而實(shí)現(xiàn)尾槳加熱電信號(hào)從動(dòng)態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換功能。

（4）測(cè)試控制臺(tái)

控制高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)的啟/停，并通過(guò)計(jì)算機(jī)操作界面設(shè)置轉(zhuǎn)速及實(shí)時(shí)顯示實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

（5）中頻地面電源

模擬機(jī)上交流電源系統(tǒng)給旋翼防除冰系統(tǒng)提供三相115V/400Hz交流中頻電源。

（6）主槳模擬負(fù)載

模擬主槳的加熱組件的用電功率。

（7）尾槳模擬負(fù)載

模擬尾槳的加熱組件的用電功率。

3 實(shí)用案例

目前，本驗(yàn)證技術(shù)已成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)某型直升機(jī)上。該型直升機(jī)旋翼防除冰于2013年開(kāi)始詳細(xì)設(shè)計(jì)，同年，根據(jù)本文提供的直升機(jī)旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)搭建了試驗(yàn)環(huán)境。

在初樣件研制階段，依托該試驗(yàn)環(huán)境，完成了旋翼防除冰電控子系統(tǒng)的地面模擬試驗(yàn)，為后續(xù)的裝機(jī)試驗(yàn)提供了充足的試驗(yàn)依據(jù)，為噴灑塔試驗(yàn)提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；同時(shí)為后續(xù)階段產(chǎn)品研制提供了改進(jìn)方向及驗(yàn)證依據(jù)。

通過(guò)本文提供的旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)，成功達(dá)到了以下效果：

（1）驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成品配套的正確性；

（2）檢查系統(tǒng)接口關(guān)系的正確、協(xié)調(diào)性；

（3）檢查系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)的正確、協(xié)調(diào)性；

（4）檢查系統(tǒng)供電方式的正確性和功率器件的匹配性；

（5）考核系統(tǒng)工作性能的可靠穩(wěn)定性；

（6）為系統(tǒng)改進(jìn)或定型提供試驗(yàn)依據(jù)；

（7）奠定后續(xù)機(jī)型的旋翼防除冰電控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

圖2 旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)原理框圖

4 結(jié)論

本文提出的驗(yàn)證技術(shù)方法實(shí)際可行，實(shí)現(xiàn)了旋翼防除冰電控系統(tǒng)成品驗(yàn)證的功能，能夠在裝機(jī)前驗(yàn)證電控子系統(tǒng)的功能、性能，對(duì)電控子系統(tǒng)工作性能的可靠穩(wěn)定性進(jìn)行了考核，為系統(tǒng)改進(jìn)或定型提供試驗(yàn)依據(jù)。