一種直升機旋翼防除冰電控子系統驗證技術

2018-07-27 01:30:38劉搏

電子制作 2018年13期

劉搏

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001)

1 背景

直升機旋翼防除冰技術作為保證直升機在結冰氣象條件下安全飛行的關鍵技術，在經歷“十五”和“十一五”預先研究工作之后，首次應用于直升機上。

目前作為直升機旋翼防除冰的監控及執行部件，旋翼防除冰電控子系統其供電控制系統設計是否合理、控制律的設計是否正確以及旋翼防除冰工作時對機上電源系統的影響等驗證工作變得十分必要。然而國內關于旋翼防除冰電控子系統地面驗證工作均未能提出一套完整的驗證方案。

鑒于上述問題，在充分理解直升機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驗證技術，能使該系統在地面試驗室得到驗證。

2 設計方法

目前直升機旋翼防除冰組成及原理框圖見圖1，按照功能劃分為以下幾個子系統：探測子系統、電控子系統以及加熱子系統。

探測子系統用于探測直升機所處環境的大氣溫度及結冰情況，由大氣溫度傳感器和結冰探測器組成：大氣溫度傳感器用于探測直升機所處環境的大氣溫度，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，通過測量其阻值，能準確反映出當前傳感器所處環境的溫度；結冰探測器用于給出結冰告警信號，其基本原理為結冰探測器探頭以固有的額定頻率振動，當探頭處受到冰層覆蓋后，探頭的振動頻率會發生變化，通過振動頻率的改變反應探頭處的結冰厚度，當結冰厚度到達告警閾值時，同時給出告警信號。

大氣溫度傳感器和結冰探測器將相應的信號發送給電控子系統。電控子系統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、主槳集流環和尾槳集流環組成：旋翼防除冰控制器在接收到探測子系統大氣溫度及結冰告警數據后，依據給定的控制律將主、尾槳加熱控制指令發送給防除冰配電盒，同時將工作狀態發送給綜合顯示及告警系統；防除冰配電盒根據旋翼防除冰控制器發出的控制指令，將旋翼防除冰加熱電源分配給主槳集流環和尾槳集流環。

主槳集流環由靜止部件和旋轉部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉部件連接主槳加熱組件，靜止部件與旋轉部件通過電刷接觸，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，從而實現主槳防除冰的供電及控制功能。

尾槳集流環由靜止部件和旋轉部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉部件連接尾槳加熱組件，靜止部件與旋轉部件通過電刷接觸，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，從而實現尾槳防除冰的供電及控制功能。

加熱子系統由安裝在主槳葉內部的主槳加熱組件和安裝在尾槳葉內的尾槳加熱組件組成，均由高精度航空電阻組成，用于將主、尾槳加熱電源轉化成熱能，旋翼防除冰工作時主、尾槳葉內部的加熱組件發熱導致槳葉表面溫度高于槳葉表面結冰溫度，從而實現主、尾槳葉的防除冰功能。

圖1 旋翼防除冰原理框圖

根據當前直升機旋翼防除冰系統組成及原理，為了驗證電控子系統，需要對旋翼防除冰電控子系統的輸入條件即探測子系統進行模擬，因此，本文采用了電力電子技術、計算機技術、智能化數字信號發生器等實現對結冰信號和大氣溫度信號的模擬，建立防除冰系統工作的輸入條件：選用高精度電阻對大氣溫度傳感器進行模擬；選用智能化數字信號發生器對結冰探測器的振動頻率進行模擬，完成了旋翼防除冰電控子系統輸入環境的搭建。

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

第三，考慮實際工作情況時，主、尾槳集流環均處于旋轉狀態，因此，本文采用了伺服電機與集散式控制系統（DCS）技術、計算機技術實現對集流環組件運轉的驅動和控制，其中運轉部分為空心電機直接驅動，最大程度的模擬了產品在直升機上的真實安裝情況。

最后，由于旋翼防除冰實際工作時，加熱子系統的主、尾槳加熱組件均安裝在旋轉的主、尾槳葉中，在試驗室的驗證過程中，考慮試驗的可實施性及安全性，無法將模擬加熱子系統的大功率阻性負載同實際情況的主、尾槳葉一樣處于旋轉狀態，因此，本文采用大功率多路工藝集流環實現動態到靜態的轉換，解決主、尾槳加熱組件實際運轉工作狀態下模擬負載的加載問題。實現了旋翼防除冰電控系統成品驗證的功能。

基于上述設計思路，本文提出的驗證技術包含信號模擬器、低速運轉臺、高速運轉臺、測試控制臺、中頻地面電源、主槳模擬負載和尾槳模擬負載，原理框圖見圖2。

（1）信號模擬器

模擬防除冰探測子系統輸出的相關參數，包括大氣溫度信號及結冰告警信號，由高精度電阻、數字信號發生器、指示燈和工控機組成：高精度電阻用于模擬大氣溫度傳感器；數字信號發生器用于模擬結冰探測器；指示燈用于模擬機上的告警指示燈；工控機用于模擬旋翼防除冰控制器的上位機，與旋翼防除冰控制器進行RS422通信，實時顯示旋翼防除冰控制器與機上的通訊信息。

（2）低速運轉臺

低速運轉臺用于模擬主槳集流環組件安裝環境，由低速伺服電機和大功率工藝集流環組成。低速伺服電機用于模擬機上主槳轉速；大功率工藝集流環由靜環和動環組成：動環與主槳集流環的旋轉部件相連，靜環與主槳模擬負載相連，低速運轉臺工作時，主槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—主槳集流環靜止部件（靜止）—主槳集流環旋轉部件（旋轉）—大功率工藝集流環動環（旋轉）—大功率工藝集流環靜環（靜止）—主槳模擬負載。從而實現主槳加熱電信號從動態到靜態的轉換功能。

（3）高速運轉臺

高速運轉臺用于模擬尾槳集流環組件安裝環境，由高速伺服電機和大功率工藝集流環組成。高速伺服電機用于模擬機上尾槳轉速；大功率工藝集流環由靜環和動環組成：動環與尾槳集流環的旋轉部件相連，靜環與尾槳模擬負載相連，高速運轉臺工作時，尾槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—尾槳集流環靜止部件（靜止）—尾槳集流環旋轉部件（旋轉）—大功率工藝集流環動環（旋轉）—大功率工藝集流環靜環（靜止）—尾槳模擬負載。從而實現尾槳加熱電信號從動態到靜態的轉換功能。

（4）測試控制臺

控制高、低速運轉臺的啟/停，并通過計算機操作界面設置轉速及實時顯示實際運轉速度。

（5）中頻地面電源

模擬機上交流電源系統給旋翼防除冰系統提供三相115V/400Hz交流中頻電源。

（6）主槳模擬負載

模擬主槳的加熱組件的用電功率。

（7）尾槳模擬負載

模擬尾槳的加熱組件的用電功率。