某拖纜長度測量結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法研究

李紅泉

(中國人民解放軍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，它自身無動力，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)的絕對安全，必須釋放足夠纜長，而拖靶的收放功能由航空絞車來實(shí)現(xiàn)。航空絞車是拖曳系統(tǒng)核心，集機(jī)械、電氣、液壓、氣動技術(shù)于一體，內(nèi)部纏繞七、八千米長的拖纜，具有嚴(yán)密的可靠性措施[4]。航空絞車上有一個霍耳傳感器測量拖纜收放長度。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，纜長對拖靶的飛行穩(wěn)定性影響很大，一旦長度測量裝置或數(shù)值顯示出現(xiàn)故障，將會造成嚴(yán)重后果。因此準(zhǔn)確測量并顯示拖纜長度，可有效提升飛行可靠性。

2 長度數(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)定長度，放靶過程中座艙面板顯示拖纜長度數(shù)值勻速增長，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)座艙面板顯示纜長剩余150m時(shí)，飛行員目測到實(shí)際長度只有(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度差別，說明拖纜長度測量設(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)定長度釋放拖靶，當(dāng)座艙面板長度顯示4348m時(shí)，拖纜長度數(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度剩余420m。

3 長度測量結(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力自動下降，拖纜隨之從卷筒中抽出，卷筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動，座艙纜長顯示增計(jì)數(shù)；收靶時(shí)，卷筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，將拖纜纏回到卷筒中，座艙纜長顯示減計(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

航空絞車拖纜長度測量裝置由計(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)長滑輪)，滑輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，滑輪隨之轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器發(fā)出一個脈沖信號，信號經(jīng)過處理產(chǎn)生頻率信號，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)過對滑輪表面、卷筒組件和信號處理電路事后檢查，發(fā)現(xiàn)信號處理電路工作正常、滑輪及周圍無機(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)致測長故障的原因有三種。

4.1 測長裝置設(shè)計(jì)、加工缺陷

錯誤的幾何尺寸直接導(dǎo)致錯誤數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，但不會發(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)動信號不能正常采集、傳輸和處理，會出現(xiàn)測量值與實(shí)際不符的情況。

4.3 測長裝置與拖纜工作不協(xié)調(diào)

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

比對地面和空中數(shù)據(jù)記錄，兩次計(jì)數(shù)間斷出現(xiàn)的共性為：拖纜長度超過4000m的收放過程中，記數(shù)滑輪轉(zhuǎn)動的頻率值突然由正常數(shù)據(jù)變?yōu)榱悖e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)動的情況下，數(shù)據(jù)處理電路沒有得到長度信號，可以排除電氣故障。

圖3 錯誤數(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)飛行方向會產(chǎn)生垂直面夾角β，如圖4所示，夾角隨拖纜長度的增加而加大。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，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，造成滑輪軸向移動與導(dǎo)向器側(cè)面接觸，加大摩擦，使滑輪不能正常轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)長度計(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)也可能造成測長錯誤。

如前所述，當(dāng)與絞車水平面夾角超過35.3°時(shí)，計(jì)數(shù)滑輪無脈沖發(fā)出。而兩次計(jì)數(shù)丟失問題均發(fā)生在拖纜長度大于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，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)雙路測長裝置

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)瞬間跳動經(jīng)拖纜傳遞后，減震滑輪的包角不會改變。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)

飛行航路對拖靶飛行姿態(tài)的影響很大，飛機(jī)作機(jī)動動作也會對計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性帶來困難。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

準(zhǔn)確記錄并顯示拖纜長度是飛行的關(guān)鍵，若放靶時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不正常，會造成收靶完畢剩余計(jì)數(shù)，這種情況只延長收靶時(shí)間，沒有危害性。但如果收靶時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不正常，纜長計(jì)數(shù)減少量就比實(shí)際減少量小，造成航空絞車無慢收或慢收時(shí)間特別短(最后100m自動轉(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)無人機(jī)帶拖靶飛行，如“大鷗”無人機(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。