張聰輝

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

0.引言

在部分裝備了并聯(lián)舵機(jī)的民用直升機(jī)上的總距桿手柄和駕駛桿手柄會(huì)有桿釋放按鈕，英文標(biāo)識(shí)一般為“Trim Release”。該按鈕是在接通直升機(jī)自動(dòng)駕駛功能之后才可以使用的[1]，按下該按鈕對(duì)應(yīng)的并聯(lián)舵機(jī)便解除錨定狀態(tài)，桿力減小，允許飛行員對(duì)直升機(jī)姿態(tài)進(jìn)行比較大的改變，在新的飛行姿態(tài)松開該按鈕之后并聯(lián)舵機(jī)會(huì)錨定在新的狀態(tài)同時(shí)桿力加大此時(shí)飛行員無法對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行大的調(diào)整[2]。這個(gè)按鈕在飛行中使用頻次很高，也是關(guān)乎飛行安全至關(guān)重要的一個(gè)按鈕。

在某型中型通用民用直升機(jī)試驗(yàn)試飛過程中，由于總距桿上的桿釋放按鈕不能很好完成功能導(dǎo)致自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)頻繁報(bào)故，嚴(yán)重影響了飛行員的操縱過程和體驗(yàn)，原因在于該按鈕的雙余度開關(guān)信號(hào)可能因?yàn)轱w行員按壓力度較小導(dǎo)致無法同時(shí)接通，2個(gè)信號(hào)不同步導(dǎo)致自動(dòng)飛控系統(tǒng)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制?；谏鲜霈F(xiàn)象本文對(duì)該按鈕雙余度開關(guān)信號(hào)提出了一種設(shè)計(jì)改進(jìn)思路。

1.故障原因以及改良設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 故障原因研判

飛行員經(jīng)常反饋按壓總距桿手柄上的桿釋放按鈕之后自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)警告信息，同時(shí)伴有總距桿桿力變大的情況，此時(shí)飛行員難以再進(jìn)行對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的更改動(dòng)作，必須通過飛控系統(tǒng)的復(fù)位功能來重新操縱直升機(jī)，而且該現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次很高，一個(gè)架次的飛行中往往會(huì)出現(xiàn)十幾次，嚴(yán)重影響了飛行員的操作，飛行員對(duì)如此高頻次的報(bào)故表示難以接受。

在分析后臺(tái)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，桿釋放按鈕按下之后總距并聯(lián)舵機(jī)并沒有解除錨定狀態(tài)，桿釋放按鈕的功能沒有完成，后臺(tái)數(shù)據(jù)還顯示桿釋放按鈕按下之后觸發(fā)了自動(dòng)飛控系統(tǒng)的一個(gè)安全保護(hù)程序，自動(dòng)飛控系統(tǒng)判定此時(shí)桿釋放按鈕失效并且鎖定了總距并聯(lián)舵機(jī)，因此飛行員會(huì)感覺桿力變大而且無法對(duì)直升機(jī)進(jìn)行大的姿態(tài)調(diào)整[3]。再結(jié)合總距桿手柄桿釋放按鈕的電路模型，可以初步研判出該故障的原因。

如圖1所示，該總距桿手柄的桿釋放按鈕為雙余度設(shè)計(jì)，但是開關(guān)信號(hào)類似“串聯(lián)”只有上下兩個(gè)開關(guān)全部接通之后桿釋放信號(hào)才會(huì)輸出到自動(dòng)飛控系統(tǒng)，如果飛行員按壓力度比較小只有一個(gè)開關(guān)信號(hào)接通另一個(gè)開關(guān)信號(hào)處于“接觸不良”的狀態(tài)如圖2所示，自動(dòng)飛控系統(tǒng)會(huì)判定此時(shí)桿釋放按鈕故障并且觸發(fā)保護(hù)機(jī)制鎖定總距并聯(lián)舵機(jī)，系統(tǒng)報(bào)故邏輯可以參考圖3的邏輯梳理。

圖1 雙余度設(shè)計(jì)的桿釋放按鈕

圖2 只有一個(gè)開關(guān)接通的情況

圖3 故障邏輯梳理

1.2 改良設(shè)計(jì)目標(biāo)

要提高飛行員的操縱體驗(yàn)和安全性就要盡量減少不必要的系統(tǒng)報(bào)故，要減少報(bào)故次數(shù)就要在飛控系統(tǒng)和硬件層次兩方面研究。在該型民用直升機(jī)的設(shè)計(jì)理念中，安全性處在比較高的位置[4]，如果該按鈕兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)接通，設(shè)計(jì)人員會(huì)優(yōu)先認(rèn)為按鈕存在機(jī)械故障或者其他部件相關(guān)存在硬件故障，此時(shí)要保證直升機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定不能有較大的姿態(tài)改變，因此要鎖定總距并聯(lián)舵機(jī)將姿態(tài)錨定[5]?；诖嗽O(shè)計(jì)理念，不能將這兩個(gè)開關(guān)改成“并聯(lián)”模式，即只要有一路開關(guān)信號(hào)接通就執(zhí)行桿釋放功能。同時(shí)改良設(shè)計(jì)要盡可能簡單高效，不能因?yàn)楦牧荚O(shè)計(jì)導(dǎo)致按鈕機(jī)械故障時(shí)飛控系統(tǒng)無法報(bào)故，盡量在原有手柄按鍵和控制系統(tǒng)進(jìn)行少量改動(dòng)降低成本，改良設(shè)計(jì)的體積也要小。

2.雙余度桿釋放按鈕開關(guān)信號(hào)的改良設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)一步的分析中發(fā)現(xiàn)，開關(guān)“接觸不良”的狀態(tài)時(shí)電路有時(shí)并非完全沒有電流只是電流比較微弱，此時(shí)的微弱電流無法達(dá)到開關(guān)信號(hào)的閾值。因此可以將開關(guān)信號(hào)中的電流放大進(jìn)而使減少兩個(gè)開關(guān)信號(hào)不同步的概率進(jìn)而減小“接觸不良”狀態(tài)對(duì)于飛行員操作的影響。

如圖4所示，在2個(gè)開關(guān)之后分別加裝單獨(dú)的放大模塊和限幅模塊，放大模塊的目的是放大電路中的電流信號(hào)，如果某一個(gè)開關(guān)電路中存在“接觸不良”的現(xiàn)象，放大模塊就可以按預(yù)設(shè)的比例放大電路中的電流，使該電路電流滿足閾值要求，放大倍數(shù)可以設(shè)置為10～20倍。為了保證電路中電流不過大，在放大模塊之后加裝限幅模塊，將電路中電流限制在合理范圍之內(nèi)，保證電路安全，限幅值可以設(shè)置在正負(fù)0.5A。

圖4 加裝放大電路和限幅電路的改良設(shè)計(jì)

放大模塊和限幅模塊可以采用基本的運(yùn)算放大器芯片實(shí)現(xiàn)，加裝成本低而且高效可靠，也無需對(duì)自動(dòng)飛控系統(tǒng)軟件做調(diào)整。如果開關(guān)電路中存在機(jī)械故障改良之后的電路同樣可以保證不會(huì)輸出，可以保證飛行安全。

3.模擬仿真

在實(shí)際飛行中，飛行員表示按壓桿釋放按鈕報(bào)故的概率大約在20%。本文通過參數(shù)設(shè)計(jì)將原始開關(guān)電路的報(bào)故率設(shè)置為20%附近，通過100次的模擬按壓輸入檢驗(yàn)改良設(shè)計(jì)的效果。

如圖5所示，上方為改良電路，下方為原始電路，開關(guān)信號(hào)電流閾值設(shè)置為0.3，只有兩路開關(guān)信號(hào)的電流均大于等于0.3時(shí)，電路輸出高電平表示此時(shí)手柄按鍵正常按下功能實(shí)現(xiàn)。反之則輸出低電平，表示此時(shí)自動(dòng)飛控系統(tǒng)接收到不同步的開關(guān)信號(hào)，將會(huì)觸發(fā)報(bào)故程序。

圖5 仿真原理圖

如圖6所示，原始開關(guān)信號(hào)電路，圖示共計(jì)100次按壓，共有80次正常輸出20次報(bào)故，報(bào)故率20%，接近真實(shí)飛行情況。

圖6 原始開關(guān)電路輸出結(jié)果

圖7所示為加裝放大模塊以及限幅模塊之后開關(guān)電路的輸出結(jié)果，可以看到100次的按壓試驗(yàn)中只有5次報(bào)故，報(bào)故率降低至5%，相比原始20%的報(bào)故率降低了75%的報(bào)故概率，比較好的改善了由于開關(guān)電路輸出信號(hào)不一致導(dǎo)致的系統(tǒng)報(bào)故。

圖7 改良之后開關(guān)電路輸出結(jié)果

4.結(jié)論

在民用直升機(jī)領(lǐng)域安全性通常是優(yōu)先級(jí)最高的注意事項(xiàng)，為了確保直升機(jī)飛行過程中的安全，在各方面的設(shè)計(jì)可能會(huì)偏向于保守，基于原始設(shè)計(jì)的改良也盡可能簡單可靠。本文針對(duì)總距桿釋放按鈕的頻繁報(bào)故，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、安全便捷、成本低廉的改良方法，通過仿真模擬驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的改良方法可以減少75%的報(bào)故概率，提升了飛行員操縱的便捷性與安全性。