軍用直升機傳感器技術的應用及趨勢

■ 王小陽 張國強 趙琛

軍用直升機由于具備垂直起落、空中懸停和定點回轉等固定翼飛機所不具備的特性，在需要高機動性的低空作戰領域具有十分重要的作用。而各類傳感器為軍用直升機提供各類機內機外參數，在直升機狀態監測和飛行控制中至關重要。

1 軍用直升機功能傳感器

軍用直升機的傳感器可以分為功能傳感器和飛控傳感器兩大類。功能傳感器主要是測量各種機體運行參數和飛行狀態參數，主要有壓力傳感器、溫度傳感器和其他傳感器。飛控傳感器主要用于增穩裝置、自動駕駛儀或自動飛行控制系統，主要用來獲取駕駛員的指令輸出，檢測直升機舵機的運行狀態。

1.1 壓力傳感器

壓力是重要的流體力學參數，與直升機飛行有關的流體主要有燃油、液壓油、空氣、滑油等，壓力的測量涉及發動機系統、燃油系統、滑油系統、液壓系統、環控系統、大氣數據系統、大氣航姿基準系統等多項系統。因此在所有直升機傳感器中，壓力傳感器使用量最大。

發動機扭矩傳感器屬于一種壓力傳感器，通過發動機內的工作滑油在線測量扭矩壓力，從而轉換得到扭矩進而實現對發動機功率的監測。

發動機和傳動系統中有工作滑油，為發動機和傳動系統各個部件提供潤滑和冷卻，滑油壓力傳感器用于測量工作滑油的壓力，常常安裝在滑油流經的管路或者滑油腔內部。

燃油壓力傳感器通常安裝在燃油流經的管路上，常和燃油流量傳感器搭配使用，為燃油系統工作壓力和流量的穩定提供監控保障。

直升機的液壓系統是直升機控制作動的主要保障，液壓傳感器用于測量液壓系統內液壓油的工作壓力。液壓傳感器安裝在液壓油流經的管路或液壓油腔內部。

氣壓傳感器用于測量直升機外界環境的大氣壓力和壓力變化。其中靜壓傳感器獲取的數據可以經處理得到直升機的飛行高度信息，空速傳感器通過測量外部氣流的總壓與靜壓之差可以獲得直升機相對大氣的運動速度。

環控系統壓力傳感器是指測量封閉座艙內的環境壓力，該傳感器為環控系統執行其它預定功能提供依據。

1.2 溫度傳感器

溫度是另一項重要的物性參數，與直升機飛行有關的溫度參數主要涉及發動機系統、輔助動力系統、滑油系統、防火系統、環控系統、大氣數據系統等。

發動機排氣溫度傳感器安裝在發動機的渦輪和尾噴處，用于測量這些位置的排氣溫度，從而實現對發動機工作狀態的在線檢測。

滑油溫度傳感器安裝在滑油流經的管路或者滑油腔內部，用于檢測工作滑油的溫度，避免滑油過熱。

氣溫傳感器，氣溫傳感器包括測量外界大氣溫度的傳感器，測量座艙內溫度的座艙溫度傳感器，此外還有測量貨艙、行李艙、電子設備艙內溫度的傳感器。氣溫傳感器不僅為保證座艙氣溫舒適提供依據，還監控機內各艙是否發生超溫起火事故。

火警探測器主要安裝于發動機和輔助動力系統，用于測量動力裝置的工作溫度，發動機和輔助動力裝置艙內是否失火。

1.3 其他傳感器

為了實現軍用直升機對除壓力和溫度之外的狀態參數進行監測，直升機還裝備有大量的傳感器。例如磁航向傳感器可以指示直升機當前航向相對地磁北極的偏角，常和慣導系統配套使用。轉速傳感器主要用于發動機和旋翼系統，旋翼轉速傳感器，用于監控主旋翼軸的最大和最小轉速，并提供報警功能。發動機用的轉速傳感器用于監控發動機燃氣渦輪的轉速和自由渦輪的轉速。液位傳感器主要用于燃油系統、滑油系統和液壓系統，以便監控燃料余量以及滑油箱和液壓油箱的液位。載荷傳感器通常安裝在右橫向線系伺服機構上，會在直升機達到它的可操縱極限時及時反饋給飛行員。角位移傳感器安裝在武器掛架上，用于測量掛架角度位置信號以便于武器發射。流量傳感器實時監測流經燃油輸送管道的燃油流量，實現對耗油率的測量。

1.4 軍用直升機功能傳感器的發展趨勢

經過技術迭代和發展，軍用直升機功能傳感器主要朝著微型化、高精度以及高可靠方向發展。以壓力傳感器和溫度傳感器為例，傳統的壓力傳感器多采用膜盒式壓力傳感器，膜盒式結構的壓力傳感器機械部件較多，使其工作可靠性和穩定性較低，體積較大，同時精度不高，使用壽命短。隨著直升機技術的更新換代，直升機的構成和使用環境越來越復雜，對機載測試設備的技術要求與日俱增，傳統的膜盒式壓力傳感器很難適應新型直升機機載測試的要求。目前直升機的壓力傳感器正在大量應用壓阻式傳感器，壓阻式傳感器的原理為單晶硅壓阻效應，即在硅受到壓力作用時，其電阻率隨之發生變化。壓阻式傳感器將單晶硅膜片和電阻條采用集成電路工藝制作為一體式硅壓阻芯片，然后將此芯片封裝在傳感器外殼中，具有很高的集成度和可靠性，相比膜盒式壓力傳感器縮小了體積。壓阻式傳感器還具有精度高、靈敏度高、動態響應快、穩定性好、便于批產的特點。壓阻式傳感器的這些優點使其在軍用直升機技術更新迭代時被越來越多的應用。

在溫度傳感器的選擇上，也經歷了由熱電偶式溫度傳感器發展為熱電阻式溫度傳感器的過程。傳統軍用直升機大量裝備熱電偶式溫度傳感器，熱電偶式溫度傳感器測溫范圍寬，測量準確方便，但也存在測溫靈敏度不高，容易受到外界信號干擾，也容易受到前置放大器溫漂的影響，因此較難跟蹤微小的溫度變化。目前直升機的溫度傳感器正在大量應用熱電阻式傳感器，特別是精度較高的Pt 電阻溫度傳感器。Pt電阻溫度傳感器除了溫度精度較高的優點，還具有長期穩定性較好，抗氧化與抗時效誤差效果好等優點，廣泛應用于中低溫區的溫度測量。

可以看到，目前軍用直升機功能傳感器的發展趨勢大致有以下幾個方向：（1）微型化，航空傳感器的微型化可以帶來諸多好處，減小了體積和重量，功耗降低，安裝方便對周圍器件影響較小。（2）集成化，傳感器多采用集成封裝的形式，提高了可靠性和易用性。（3）數字智能化，以利于信號的統一傳輸處理，同時實現故障自診斷、故障隔離等功能，提高整個測試系統的動態特性和整體性能。

2 軍用直升機飛控傳感器

從直升機誕生以來，其駕駛操縱和飛行控制歷經了機械操縱、機械操縱加裝增穩裝置或自動駕駛儀、電傳飛行控制系統等多個階段，并正在向著光傳飛行控制系統發展。軍用直升機飛控傳感器主要是位移傳感器，主要安裝在駕駛桿、腳蹬和直升機舵機等位置，分別用來測量駕駛員操作指令和舵機當前的作動位置。隨著軍用直升機飛行控制系統由增穩控制到電傳飛控到光傳飛控的發展，軍用直升機位移傳感器也由電磁傳感器向光學傳感器發展。

2.1 電磁式位移傳感器

第一代軍用直升機的特征為以小功率活塞式發動機提供動力，同時操縱采用傳統機械桿系操縱系統，代表機型為米-4 和貝爾-47。飛行員通過對總距桿、腳蹬、周期變距桿、拉桿等操縱部件實現對直升機飛行姿態的控制。從二十世紀四、五十年代開始，直升機開始采用渦軸發動機同時在操縱方面開始裝備控制增穩系統，如美國的H-13、UH-1、S-58 和法國的“云雀”等。六十年代到七十年代初的直升機，大多采用模擬式自動駕駛儀，如美國的AH-1G、S-61、貝爾-214 和法國的“超黃蜂”“海豚”等。七十年代中期到八十年代的直升機，大多采用數字式自動飛行控制系統，如美國的貝爾-412、CH-47D、S-70、AH-64和法國的“超美洲豹”、英國的EH-101等。軍用直升機從開始裝備控制增穩系統開始，就開始用到位移傳感器，目前直升機上應用最廣泛的位移傳感器為電磁式位移傳感器。電磁式位移傳感器主要安裝于總距桿、腳蹬、周期變距桿等處，稱為駕駛員傳感器。同時在直升機舵機中也裝有電磁式位移傳感器，用以監測駕駛員操作指令的執行情況。

電磁式位移傳感器多采用差動結構，因此電磁式位移傳感器又稱為差動式位移傳感器，分為線位移傳感器和角位移傳感器。現以線位移傳感器為例說明其原理，差動式線位移傳感器，實際上是一個交流變壓器，有激磁繞組和輸出繞組兩個繞組，激磁繞組流過交變電流后，在繞組空間產生交變磁場。因為激磁和輸出之間存在互感，所以在輸出繞組中感應出一個與動鐵心直線位移成比例的電信號。輸出繞組兩個線圈是反接的，頭接頭或尾接尾，因此，當動鐵心在兩個輸出線圈中間時，兩個輸出線圈的感應電壓互相抵消。如果動鐵心向一個方向移動，輸出電壓與動鐵心的直線位移成比例增加；如果動鐵心從中位向另一個方向移動，輸出電壓仍然與動鐵心的直線位移成比例增加，但相位相反。

電磁式位移傳感器有以下的特點：（1）結構簡單，整個結構沒有活動電觸點，因此工作穩定可靠、壽命長，尤其適合應用在航空領域。（2）靈敏度和分辨率較高，應用于軍用直升機的電磁式位移傳感器最高能測出微米級別的位移變化。傳感器的輸出信號強，一般每毫米的位移可對應數百毫伏的輸出。（3）線性度和可重復性都比較好，在一定位移范圍內，電磁式位移傳感器的非線性誤差可以達到0.1%量級，并且復現性很好。

但是電磁式位移傳感器也有一定的不足，其頻率響應較低，不適宜用于快速動態監控場合。同時相對于更先進的光學位移傳感器，電磁式位移傳感器精度不夠高。最重要的是，電磁式位移傳感器由于其原理和構造，在信號測量和傳輸過程中，容易受外界電磁干擾造成誤差，對于低空飛行的軍用直升機更是如此。

2.2 光學位移傳感器

從六、七十年代以來，直升機先進飛行控制系統的研究得到西方各國的高度重視，并向電傳和光傳飛行控制的方向發展。美國先后進行了“戰術飛機制導系統”（TAGS）、“重型運輸直升機”（HLH）、“先進數字/光傳控制系統”（ADOCS）等項目研究計劃。軍用直升機低空、低速、前沿縱深使用的作戰環境使之較其他飛機更易遭受電磁干擾、核輻射等的影響。因此，在直升機上發展光傳飛控系統也較其他飛機更為迫切。實際上，國外光傳飛控系統也首先是在直升機上發展并使用的。實現光傳飛控系統首先要研制開發用于直升機光傳飛控系統的關鍵部件，主要包括光背板計算機、光學位移傳感器、具備光接口的通用接口適配計算機等，光位移傳感器用于采集駕駛員周期桿、總距桿和腳蹬的操縱位移，具有十分重要的作用。

光學位移傳感器一般是變柵距光柵位移傳感器或稱波長編碼光位移傳感器，變柵距光柵位移傳感器是一種以波長為輸出信號特征的光位移傳感器，它利用變柵距光柵的帶通濾波功能，通過測算輸出光中心波長來解算位移。變柵距光柵是變柵距光柵位移傳感器的核心部件，具有理想光柵的光位移傳感器輸出的波長與傳感器的位移成正比。

光位移傳感器與傳統的電磁式位移傳感器相比，首先大幅度改善了位移傳感器的抗干擾性能。其次進一步小型化、輕量化，更易于與其他零部件配套。同時光位移傳感器提高了精度和靈敏性，受外界條件影響較小，可以在較惡劣環境下穩定運行，尤其工作溫度范圍較傳統傳感器大為拓寬。光位移傳感器具有十分樂觀可期的應用前景，但是在應用推廣過程中也存在一些問題，比如數據采集、傳輸及處理過程中耗費時間較長，難以滿足飛機控制系統要求的100Hz 以上的響應頻率，同時光位移傳感器在光源穩定性上也存在一定問題，最后還存在工藝誤差和測試誤差非線性難以補償的問題。這些問題在目前都限制著軍用直升機尤其是我國軍用直升機大規模應用光位移傳感器。

2.3 軍用直升機飛行控制傳感器的發展趨勢

直升機光傳飛控系統在國外已經經過了三十多年的研究和發展，1984 年，第一套數字式光傳飛控系統在UH-60A直升機上進行了成功的試飛。2002 年1月，歐洲直升機公司裝有光傳飛行控制系統的一架EC-135直升機進行了首飛，目前已完成取證試飛。光傳飛行控制技術是繼電傳飛控技術后的又一技術跨越，其本質在于實現飛行控制系統的“光化”，既繼承了電傳技術的系統技術優勢，又在對抗惡劣電磁環境、提高信息化和智能化等方面取得重大進步，從而大大改善了飛機的操縱品質，提高了飛行控制系統的可靠性、生存性。

我國的直升機光傳飛控系統研究晚于西方發達國家近二十年，通過研究和技術沉淀，在光傳飛控系統涉及的關鍵技術上均有一定的技術積累，為光傳飛控系統的工程化實現打下了一定基礎。但是對于適用于惡劣環境下的機載光學傳感器、光總線、光背板計算機，以及適用于光傳系統的作動器等方面還需要進行更深入的研究。目前我國還不能實現直升機光傳飛控系統的工程化應用。

雖然我國距離直升機光傳飛控系統的工程化應用還有一段距離，但是在光學傳感器方面的技術成熟度高于整個光傳飛控系統的成熟度，除了用于飛控系統的光位移傳感器已經得到了試飛驗證，國內還能夠生產多種類型的狀態傳感器，例如光學電流傳感器和光學壓力傳感器等。針對現代軍事裝備高可靠性、高性能的要求，及空間電磁環境日益惡劣的現狀，采用光傳操縱系統代替或部分代替電傳操縱系統將是飛機飛行操縱系統發展的必然趨勢，更是國防軍事設備的廣泛需求。相信隨著我國國防科技工業的進步，各種光學傳感器將逐漸替代老式傳感器，成為軍用直升機“千里眼、順風耳、聽診器”。