李紅泉

(中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 125106)

1 引 言

拖靶是拖帶飛機(jī)、航空絞車、拖纜和靶體組成的拖曳系統(tǒng)總稱[1]，其中靶體上安裝反射體、輻射源、脫靶量指示器、無(wú)線電高度表等設(shè)備，通過拖纜連接飛機(jī)并尾隨飛機(jī)飛行，它自身無(wú)動(dòng)力，其速度和高度主要由拖帶飛機(jī)決定，恒高型靶體的升降舵能夠在小范圍內(nèi)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)[2]。系統(tǒng)基本工作過程是：由拖帶飛機(jī)掛載航空絞車及靶體上升到一定高度后，飛行員控制絞車放出靶體，拖纜放到預(yù)定長(zhǎng)度后，轉(zhuǎn)入拖航狀態(tài)，此時(shí)靶體在空中逼真模擬不同飛行器的目標(biāo)特性[3]，供射擊打靶、捕獲校飛等使用，最后飛行員再控制絞車收回靶體，返航著陸。根據(jù)稱謂習(xí)慣，以下將靶體也叫做拖靶。

為了保證拖帶飛機(jī)的絕對(duì)安全，必須釋放足夠纜長(zhǎng)，而拖靶的收放功能由航空絞車來(lái)實(shí)現(xiàn)。航空絞車是拖曳系統(tǒng)核心，集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)技術(shù)于一體，內(nèi)部纏繞七、八千米長(zhǎng)的拖纜，具有嚴(yán)密的可靠性措施[4]。航空絞車上有一個(gè)霍耳傳感器測(cè)量拖纜收放長(zhǎng)度。拖纜數(shù)值顯示在座艙面板上，供飛行員掌握拖靶至飛機(jī)的距離，纜長(zhǎng)對(duì)拖靶的飛行穩(wěn)定性影響很大，一旦長(zhǎng)度測(cè)量裝置或數(shù)值顯示出現(xiàn)故障，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此準(zhǔn)確測(cè)量并顯示拖纜長(zhǎng)度，可有效提升飛行可靠性。

2 長(zhǎng)度數(shù)值問題現(xiàn)象描述

2.1 第一次飛行

按照飛行方案，飛行員在高空釋放拖靶至設(shè)定長(zhǎng)度，放靶過程中座艙面板顯示拖纜長(zhǎng)度數(shù)值勻速增長(zhǎng)，根據(jù)拖靶自重下沉量，保持拖機(jī)環(huán)飛兩周后開始收拖靶工作，此時(shí)所有設(shè)備均工作正常。當(dāng)座艙面板顯示纜長(zhǎng)剩余150m時(shí)，飛行員目測(cè)到實(shí)際長(zhǎng)度只有(7～8)m，即將撞擊航空絞車，隨采取緊急措施避免了事故。實(shí)際收回拖纜與顯示長(zhǎng)度差別，說明拖纜長(zhǎng)度測(cè)量設(shè)備或顯示裝置發(fā)生了問題，但飛行員未在極短時(shí)間內(nèi)注意到數(shù)值減少情況。

2.2 第二次飛行

飛行員在空中按預(yù)定長(zhǎng)度釋放拖靶，當(dāng)座艙面板長(zhǎng)度顯示4348m時(shí)，拖纜長(zhǎng)度數(shù)值停止增加，而飛行員目視拖纜繼續(xù)放出，隨停止絞車工作。一分鐘后，再次釋放拖靶，計(jì)數(shù)顯示恢復(fù)正常，數(shù)字開始從4348累計(jì)增加。飛行結(jié)束后，座艙面板顯示拖纜長(zhǎng)度剩余420m。

3 長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)構(gòu)原理

拖纜一端纏繞在絞車的卷筒上，另一端連接拖靶，其在航空絞車內(nèi)部路徑如圖1所示。放靶時(shí)，打開航空絞車剎車及鎖定機(jī)構(gòu)，拖靶依靠重力及氣動(dòng)力自動(dòng)下降，拖纜隨之從卷筒中抽出，卷筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，座艙纜長(zhǎng)顯示增計(jì)數(shù)；收靶時(shí)，卷筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將拖纜纏回到卷筒中，座艙纜長(zhǎng)顯示減計(jì)數(shù)；當(dāng)拖靶被收回并鎖定時(shí)，增減數(shù)值相抵，計(jì)數(shù)顯示應(yīng)回到零值。

圖1 航空絞車收放纜剖面

航空絞車拖纜長(zhǎng)度測(cè)量裝置由計(jì)數(shù)滑輪、霍爾傳感器和數(shù)據(jù)處理電路組成。拖纜繞過計(jì)數(shù)滑輪(圖1中的計(jì)長(zhǎng)滑輪)，滑輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，滑輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過處理產(chǎn)生頻率信號(hào)，即為每秒滑輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，由該頻率值和滑輪直徑尺寸得到通過的拖纜長(zhǎng)度并顯示在座艙面板上[5]。

圖2 計(jì)數(shù)滑輪結(jié)構(gòu)

4 故障原因分析

經(jīng)過對(duì)滑輪表面、卷筒組件和信號(hào)處理電路事后檢查，發(fā)現(xiàn)信號(hào)處理電路工作正常、滑輪及周圍無(wú)機(jī)械損傷。經(jīng)地面反復(fù)模擬航空絞車空中飛行情況，復(fù)現(xiàn)計(jì)數(shù)丟失現(xiàn)象，建立故障樹，確認(rèn)導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)故障的原因有三種。

4.1 測(cè)長(zhǎng)裝置設(shè)計(jì)、加工缺陷

錯(cuò)誤的幾何尺寸直接導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，但不會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)時(shí)斷時(shí)續(xù)現(xiàn)象。

4.2 結(jié)構(gòu)的物理故障

收放纜時(shí)，計(jì)數(shù)滑輪被異物卡死、電纜內(nèi)部損傷、電路虛焊等意外突然發(fā)生，導(dǎo)致滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)不能正常采集、傳輸和處理，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值與實(shí)際不符的情況。

4.3 測(cè)長(zhǎng)裝置與拖纜工作不協(xié)調(diào)

拖靶放出以后，受到拉力、重力、氣動(dòng)阻力共同作用，拖纜與水平面形成一個(gè)張角α(見圖1)。角度越小，拖纜與計(jì)數(shù)滑輪接觸弧線越長(zhǎng)；角度越大，接觸弧線越短。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)張角超過35.3°時(shí)，拖纜離開滑輪，滑輪將停轉(zhuǎn)，無(wú)測(cè)長(zhǎng)脈沖信號(hào)發(fā)出，導(dǎo)致長(zhǎng)度顯示停止。

比對(duì)地面和空中數(shù)據(jù)記錄，兩次計(jì)數(shù)間斷出現(xiàn)的共性為：拖纜長(zhǎng)度超過4000m的收放過程中，記數(shù)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率值突然由正常數(shù)據(jù)變?yōu)榱?，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄界面如圖3所示，短時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)正常，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的渦輪轉(zhuǎn)速的電機(jī)電壓值始終保持正常，這說明在渦輪正常驅(qū)動(dòng)的情況下，數(shù)據(jù)處理電路沒有得到長(zhǎng)度信號(hào)，可以排除電氣故障。

圖3 錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄界面

進(jìn)一步分析全航程數(shù)據(jù)得知：直線航路上大長(zhǎng)度收放數(shù)據(jù)顯示正常。但每次飛行中，拖機(jī)有兩次折返，記錄的時(shí)間點(diǎn)顯示，兩次長(zhǎng)度異常均出現(xiàn)在拖機(jī)轉(zhuǎn)彎處。當(dāng)拖纜超過4000m，拖機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，拖纜與拖機(jī)飛行方向會(huì)產(chǎn)生垂直面夾角β，如圖4所示，夾角隨拖纜長(zhǎng)度的增加而加大。該角度使拖纜繞過計(jì)數(shù)滑輪時(shí)產(chǎn)生垂直絞車軸線的側(cè)向力，側(cè)向力沿滑輪槽口斜面向下的分量使拖纜沿斜面向下滑動(dòng)，離開滑輪槽底滑到一側(cè)的拖纜導(dǎo)向器斜面上，如圖5所示。該側(cè)向力隨夾角β的增加而增大，最終使拖纜滑出，壓在導(dǎo)向器斜面上，與滑輪脫離。此現(xiàn)象可以在地面模擬得到。

圖4 飛行轉(zhuǎn)彎航跡

圖5 拖纜在計(jì)數(shù)滑輪出口狀態(tài)

另外，導(dǎo)向器與滑輪間距偏小，即滑輪軸向間隙小于軸承軸向游隙，滑輪受到側(cè)向力，造成滑輪軸向移動(dòng)與導(dǎo)向器側(cè)面接觸，加大摩擦，使滑輪不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)停止現(xiàn)象，這種情況同樣可在地面得到驗(yàn)證。以上分析可以判斷，計(jì)數(shù)滑輪和導(dǎo)向器裝配間隙小在特殊飛行狀態(tài)也可能造成測(cè)長(zhǎng)錯(cuò)誤。

如前所述，當(dāng)與絞車水平面夾角超過35.3°時(shí)，計(jì)數(shù)滑輪無(wú)脈沖發(fā)出。而兩次計(jì)數(shù)丟失問題均發(fā)生在拖纜長(zhǎng)度大于4000m，此時(shí)拖靶與拖帶飛機(jī)高度差約500m，相應(yīng)的夾角為

arcsin(500÷4000)=7.2°

該角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于35.3°的極限值，拖纜應(yīng)能夠與滑輪充分接觸。即使拖靶受到突變氣流，出現(xiàn)瞬間跳動(dòng)，這種情況造成的短時(shí)間脫離可以由滑輪高速旋轉(zhuǎn)的慣性來(lái)彌補(bǔ)，不是造成計(jì)數(shù)丟失問題連續(xù)發(fā)生的原因。

同步檢查未發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)存在異物、卡死或松動(dòng)現(xiàn)象，部件幾何尺寸均正確。由此可見，造成計(jì)數(shù)丟失的原因是計(jì)數(shù)滑輪和導(dǎo)向器設(shè)計(jì)不合理，裝配公差未考慮實(shí)際應(yīng)用中受力情況。

5 解決措施

根據(jù)原因分析和故障復(fù)現(xiàn)，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1)滑輪結(jié)構(gòu)調(diào)整

減小滑輪槽口深度，把滑輪槽口兩斜面夾角減小20°，使拖纜不易滑出。適當(dāng)加大滑輪軸向間隙，由0.3mm增加到0.8mm，即最細(xì)纜徑的二分之一；導(dǎo)向器貼近滑輪兩側(cè)表面的倒圓半徑調(diào)整為20mm，并讓滑輪邊緣超出導(dǎo)向器(1～1.5)mm，避免拖纜壓在導(dǎo)向器斜面上。

(2)雙路測(cè)長(zhǎng)裝置

如圖1所示，拖纜與現(xiàn)在計(jì)數(shù)滑輪的最大貼合包角為45°，而與減震滑輪的包角達(dá)140°，且拖靶出現(xiàn)瞬間跳動(dòng)經(jīng)拖纜傳遞后，減震滑輪的包角不會(huì)改變。在該輪滑上增加一套計(jì)數(shù)裝置，同樣輸出至座艙顯示，提高計(jì)數(shù)可靠性，實(shí)現(xiàn)“雙保險(xiǎn)”。

(3)優(yōu)化航路設(shè)計(jì)

飛行航路對(duì)拖靶飛行姿態(tài)的影響很大，飛機(jī)作機(jī)動(dòng)動(dòng)作也會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性帶來(lái)困難。在航路規(guī)劃時(shí)，充分考慮轉(zhuǎn)彎半徑、空中氣流和爬升率等因素。

按照上述方法改進(jìn)之后，連續(xù)十多次實(shí)際飛行均無(wú)計(jì)數(shù)丟失問題再發(fā)生，說明故障已歸零，措施得當(dāng),圖6是截取的某次收攬數(shù)據(jù)記錄截面。

圖6 正確數(shù)據(jù)記錄界面

6 結(jié)束語(yǔ)

準(zhǔn)確記錄并顯示拖纜長(zhǎng)度是飛行的關(guān)鍵，若放靶時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不正常，會(huì)造成收靶完畢剩余計(jì)數(shù)，這種情況只延長(zhǎng)收靶時(shí)間，沒有危害性。但如果收靶時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不正常，纜長(zhǎng)計(jì)數(shù)減少量就比實(shí)際減少量小，造成航空絞車無(wú)慢收或慢收時(shí)間特別短(最后100m自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁偈諗?，拖靶上架時(shí)往往被撞掉，不僅損失裝備，更威脅飛機(jī)安全。

盡管現(xiàn)在自主控制技術(shù)已實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)帶拖靶飛行，如“大鷗”無(wú)人機(jī)，注重了“人”的保護(hù)，但航空安全仍是大家普遍關(guān)心的問題。如拖靶系統(tǒng)等依賴有人機(jī)的裝備仍會(huì)大量使用，在問題出現(xiàn)后盡力復(fù)現(xiàn)故障，弄清原因并找到恰當(dāng)解決途徑，是問題歸零的普遍方法。本文的目的是為同行提供經(jīng)驗(yàn)參考，避免類似問題發(fā)生。