共軸式雙旋翼直升機錐體測量技術研究

孫燦飛，何 泳，莫固良

(中航工業上海航空測控技術研究所，上海 201601)

0 引言

直升機旋翼是為直升機飛行提供升力和操縱力的核心部件，直接關系到直升機的安全及其他各項重要性能的優劣。直升機旋翼高速旋轉產生的錐體是直升機旋翼系統技術狀態的綜合反映，包括槳葉氣動外形、旋翼及槳葉的動態特性、槳葉安裝和固定情況、槳葉重量變化及旋翼系統的故障情況等，均反映到旋翼錐體的變化。為此，測量和監視旋翼錐體是直升機使用維護中的重要檢測內容。

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，也稱旋翼同錐度檢測。測量參數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超差，就需對該槳葉進行棱面調整。

1 單旋翼直升機錐體的測量方法

根據使用維護手冊，直升機錐體檢查時，不僅僅需要進行地面錐體檢查，也需要進行空中懸停狀態、前飛狀態的錐體檢查，而確定直升機飛行中的錐體更有意義，因為直升機在水平飛行時，旋翼工作在不對稱的氣流環境下，容易引起較大振動，而且直升機大部分飛行狀態是水平飛行，僅僅通過地面錐體測量數據來調整旋翼錐體很難使直升機旋翼在飛行狀態處于良好的工作狀態，振動水平最小。也就是說，僅依據地面錐體的測量結果對旋翼做出調整，不能夠保證直升機在飛行中的振動水平處于低水平。

很早以前，直升機在開始投入使用時就要求進行旋翼錐體測量，受當時技術水平的限制，測量旋翼錐體使用的是標桿法，即維護人員先在每片槳葉的槳尖涂上不同顏色，然后在標桿頂端綁上白色紙筒，在直升機地面開車后，標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的操作技巧，且具有一定的危險性。

隨著科學技術的發展，在80年代開始使用頻閃儀，即維護人員先在每片槳葉的槳尖裝上帶有不同形狀或數字反光紙的靶標，在直升機地面開車后，利用頻閃儀照射槳葉，對準槳尖某一固定位置，在每片槳葉到來時，產生一束強烈閃光照亮該槳葉葉尖的靶標，由于人眼的延滯性，可以看到每片槳葉上的靶標，但是使用這種測量方法得到測量結果仍舊需要“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果會有爭議，且測量結果無法記錄和保持。

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

2 共軸式雙旋翼直升機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的直升機，而對于共軸式雙旋翼直升機，這兩種測量方法都存在一定難度。共軸式雙旋翼直升機具有繞同一理論軸線一正一反旋轉的上下兩副旋翼，由于轉向相反，兩副旋翼產生的扭矩在航向不變的飛行狀態下相互平衡，通過上下旋翼總距差動產生不平衡扭矩可實現航向操縱。如果使用標桿法，只需標桿高度控制合適，就可實現下層旋翼錐體的測量，但進行上層旋翼錐體測量時需避開下旋翼，這是傳統的直桿無法實現的。后來有人發明了可升降的弓形標桿，這種標桿雖然可以實現上下層旋翼錐體的測量，但無疑更增加了測量的難度、不準確性和危險性。

圖1 標桿法測量共軸式雙旋翼直升機錐體

由于共軸式雙旋翼直升機上下兩副旋翼旋轉方向相反，位置相互錯開，所以通過頻閃儀也可實現上下旋翼錐體的測量，但由于上層旋翼較高，既增加了靶標安裝的難度，也影響了靶標的反光效果，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 光學傳感器工作原理

目前國內已研究采用光學原理的特種傳感器測量直升機旋翼錐體，這種傳感器內部安裝有兩個固定光軸夾角為11度的光敏器件，旋翼旋轉時，當槳葉通過傳感器上方時，由于槳葉對光線的遮擋效應，光敏傳感器得到不同強度的光，隨著旋翼的旋轉，產生了一系列與旋翼運動情況有關的脈沖信號，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。然后通過幾何關系和時間關系的計算(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前沿進入光學傳感器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表示光學傳感器軸線與水平面夾角，L0表示光學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行計算獲得，以某一槳葉為基準，其他槳葉絕對揮舞值與基準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自動、高精度測量，受天氣影響小，也可實現飛行中的錐體自動測量，同時還可以將測量結果進行存儲，為實現對旋翼的故障診斷創造了條件。

圖2 光學傳感器測量單旋翼直升機示意圖

2.2 采用光學傳感器測量共軸雙旋翼直升機錐體

在共軸式雙旋翼直升機尾部特定位置安裝光學傳感器。考慮到旋翼旋轉后槳葉上揚，光學傳感器安裝應保持一定角度α，軸線應對準上層槳葉的根部，并適當向內移動若干厘米。在試驗過程中可以進行調整。一旦確定，后續使用可將位置L0和角度α固定，見圖3。

圖3 光學傳感器機上安裝位置示意圖

由于上下層槳葉旋轉時位置錯開、方向相反，因而上下層槳葉按次序進入光學傳感器視場。根據光學傳感器的工作原理，形成與單旋翼不同的時序關系，見圖4。

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

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 光學傳感器測量共軸雙旋翼直升機示意圖

2.3 外場驗證

使用該光學傳感器測量共軸式雙旋翼直升機的旋翼錐體的方法在外場進行了多次驗證，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行多次試驗或改進，也與打標桿、頻閃儀方法進行對比試驗，如圖5，最終結果令人滿意。

3 結束語

針對分析共軸式雙旋翼直升機旋翼錐體的特點，對比標桿法、頻閃儀測量方法的缺點和不足，采用光學傳感器方法測量共軸式雙旋翼直升機旋翼錐體，更能滿足該類直升機的維護需求。另一方面，先進的傳感器技術也帶動快速、精確、自動、智能的測量方法的出現，為進一步實現直升機機載健康管理及故障診斷系統(HUMS)提供了必要的手段和方法，整體提高直升機的維護水平和維護能力。

圖5 光學傳感器與標桿法測量共軸雙旋翼直升機的結果對比圖

［1］倪先平.直升機手冊［M］.北京:航空工業出版社，2003.

［2］康 穎.直升機旋翼動平衡調整的原理和方法［J］.飛行試驗，1998(01).

［3］王新洲.檢測直升機旋翼同錐度的新手段［J］.直升機技術，1991(01).

［4］董良，李惠斌，馬效臣.直升機槳葉動平衡試驗技術研究.測控技術［J］，2007，26(01):76-78.

［5］胡廣書.數字信號處理—理論、算法與實現(第二版)［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［6］薛偉松，邢培，鄭牧，等.直升機旋翼錐體及動平衡設備校驗系統的研究［J］.測控技術，2006，25(03).