某型號直升機超短波電臺電磁干擾問題研究

張 海 路 杰 沈凌志

（昌河飛機工業集團有限責任公司，江西 景德鎮 333000）

0 引言

隨著越來越多的新技術被應用于直升機上，直升機電磁干擾問題也不斷出現。如何快速有效找出并解決因電磁干擾而產生的故障，成為直升機技術領域亟待解決的問題。某型號直升機在超短波電臺發射時，空調出現異常并停止工作，本研究以該故障為研究對象，通過分析故障原理，基于故障樹來快速尋找干擾原因，并制定詳細的方案機進行驗證。同時，在直升機電磁兼容優化方面開展研究，力求減少此類問題的發生。

1 概述

直升機通信系統可完成空空視距、空地視距和超視距的語音通信，實現機內乘員間的通話，接收組合設備的音頻信號。作為直升機的短程通信系統，超短波系統基于空間波及視距傳播來完成通信，相較于短波通過大氣電離層反射來傳播的方式，其具有可靠性高，受季節、晝夜、太陽活動影響較小的特點［1］。

空調系統作為直升機的輔助系統，可調節駕駛艙環境溫度，能有效滿足飛行員對使用舒適性的需求，并提高直升機的人性化設計水平。當超短波系統工作時，如果空調出現異常，并停止工作，將極大地降低飛行員的舒適度，導致直升機整體質量水平下降。

2 故障現象及原理分析

2.1 故障現象

某型號直升機在執行試飛任務時，當使用超短波電臺2 進行通話時，直升機制冷系統會停止工作，且制冷控制盒的面板上顯示“E04”故障代碼，但在使用超短波電臺1 進行通話時，空調能正常工作。

2.2 原理分析

直升機蒸發循環制冷系統通過液態制冷劑相變來吸收座艙內的熱量，使空氣在進入座艙或設備艙前溫度顯著降低［2］。該系統由蒸發器組件、冷凝器組件、壓縮機組件、制冷電控盒和制冷控制盒等組成。制冷時，電控盒會發信號給壓縮機、冷凝風機、蒸發風機，壓縮機、冷凝風機、蒸發風機開始運轉，將壓縮機抽吸蒸發器出口的低溫低壓制冷劑蒸汽壓縮成高溫高壓氣體，并排至冷凝器，該高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器中被風機抽吸的外界大氣冷卻，冷凝成溫度和壓力較高的液體，經儲液器后進入膨脹閥節流膨脹，溫度和壓力會急劇下降，變為一種低溫氣液混合物。該混合物流入蒸發器，與蒸發風機抽吸的駕駛艙暖濕空氣進行熱交換，通過吸熱蒸發變成低壓蒸汽，重新回到壓縮機中，至此完成一個循環。同時，艙內暖濕空氣在蒸發器中放熱冷卻，通過送風口供給駕駛艙用于制冷，如此循環往復，可達到制冷的目的。通風時，壓縮機不運轉，在蒸發風機的攪動下，駕駛艙內空氣循環流動。

制冷電控盒由控制組件、電源濾波組件、隔離電源、故障檢測組件、接觸器組件、電子開關組件、電流電壓采樣電路等組成。控制組件由單片微機和FPGA 組成，可完成產品輸入、輸出的控制處理；機上直流電壓經濾波及瞬變抑止后，通過隔離電源模塊輸出5 V、+12 V 的工作電壓，作為產品內部各組件的工作電源；制冷操縱盒傳輸的控制指令經通信電路處理后輸入控制組件，控制組件控制對應的接觸器或電子開關的通斷；27 V 電源電壓、三相交流電壓經電流電壓取樣電路后，通過輸出器的輸出觸點和電子開關輸出給大電流負載，從而完成對大電流負載的啟∕停控制；故障檢測組件對接收到的負載電流取樣電壓、27 V 電源電壓、三相交流電壓、三相工作電流、壓力信號和超溫信號等進行差分比較處理，輸出有效時為12 V、無效時為0 V，且與機上27 V電源完全隔離的故障告警信號，一起輸送給冷操縱盒進行分析處理。

根據該型號直升機駕駛艙制冷系統安裝與調試技術條件，故障代碼“E04”是指電磁離合器發生斷路故障。MCU 控制器發出控制信號，使場效應管導通，電流采集芯片采集采樣電阻兩端的電壓，采樣電阻兩端的電壓經差分放大器放大10 倍，并疊加在2.5 V基準上，輸入至短路、斷路故障電路中。當此電壓大于短路通道設定的門限電壓（2.83 V）時，輸出電磁離合器短路故障的信號；當此電壓當小于斷路通道設定的門限電壓（2.525 V）時，輸出電磁離合器斷路故障的信號。

3 故障分析及處理

3.1 故障初步分析

通過分析故障現象，結合系統原理，對成品故障、線路異常和電磁干擾等方面進行分析，并對故障進行定位、驗證和處理。

3.2 故障定位

按照故障初步分析結果，依次對機器故障進行檢查。①按系統線路圖對空調系統線路進行導通檢查，未發現問題。②更換確認功能正常的制冷電控盒后進行地面驗證，故障未消失。③更換確認功能正常的制冷操縱盒后進行地面驗證，故障未消失。④對超短波天線進行接地打磨操作，測量接地電阻后進行地面驗證，故障依然存在，再進行電磁兼容試驗檢查，未發現問題。⑤更換不同廠家生產的駕駛艙循環制冷裝置進行地面驗證后發現，在更換A 廠和B 廠的蒸發循環制冷裝置后，故障消失，但更換C 廠的蒸發循環制冷裝置后，故障依然存在。⑥對三個廠家的產品進行對比，發現C 廠的蒸發循環制冷裝置內部安裝了電磁離合器，而其他兩個廠家的產品未安裝電磁離合器。⑦結合“E04”故障原理可以發現，制冷電控盒會對經過蒸發循環制冷裝置內部電磁離合器的電流進行監測，當電流的波動超過500 mA 時，制冷電控盒會自行切斷對蒸發循環制冷裝置的供電，從而起到對蒸發循環制冷裝置的保護作用。

由于機上超短波電臺1 發射時空調仍能正常工作，進一步推斷導致故障產生的原因為超短波電臺2發射時產生的電磁干擾導致空調停止工作。

3.3 故障驗證

將制冷電控盒內部的門限電流調整為450 mA后，進行地面通電驗證后發現：當超短波電臺2 的頻率低于129 MHz 時，空調可正常工作；當頻率高于129 MHz時，部分頻率仍會導致空調停止工作。

根據上述試驗結果，制定以下驗證方案。①將制冷電控盒內部的門限電流按照450 mA、400 mA、350 mA、300 mA、250 mA、200 mA、150 mA、100 mA逐步向下調整。②在不同門限電流下，分別測試超短波電臺2 在工作頻率中是否會導致空調停止工作。

由地面驗證結果可知，當制冷電控盒的門限電流調整為150 mA時，超短波電臺2工作時不會導致空調停止工作。

為充分驗證150 mA 的門限電流能否滿足空調正常工作的要求，對調整后的制冷電控盒進行多次試飛驗證，驗證結果無問題。

3.4 故障處理

通過地面試驗和空中飛行驗證可知，該故障是由制冷電控盒內部的門限電流設置不合理而導致的，超短波電臺2 在工作時，空調內部因自我保護而停止工作。當制冷電控盒的門限電流調整為150 mA 后，超短波電臺2工作時不會導致空調停止工作。經現場多次試驗，150 mA 的門限電流能有效實現對空調的自我保護。

經過上述測試與分析，將制冷電控盒的門限電流調整為150 mA，可有效解決此類問題，且調整制冷電控盒的門限電流后，在后續飛行過程中，直升機未再出現該類故障。

4 問題解決方法

對超短波電臺發射時空調出現異常并停止工作的故障進行排查，從排查過程和結果來看，直升機制造過程中的前期電磁兼容試驗是十分重要的。如果前期電磁兼容試驗足夠全面，能在試驗時發現并解決該問題，就可避免該問題在直升機試飛時才暴露，影響直升機的質量。目前，直升機電磁兼容是按設計部門的試驗大綱進行設計的，而電磁兼容的要求和改進則基于實際問題的數據積累。隨著直升機系統內部和外部電磁環境越來越復雜，系統電磁兼容評估技術也要有新的突破［3］，所以電磁兼容研究和優化對直升機整體質量的提高起到關鍵作用。

4.1 電磁兼容性問題發生的基本原因

試驗結果表明，無論是機上復雜的航電系統還是簡單的成品，任何一個電磁兼容故障的發生必須要具備三個基本條件，即有一個穩定的干擾源、有傳播干擾能量的途徑或通道、必須有被干擾對象進行響應。

必須同時滿足以上三個基本條件，直升機才會出現電磁兼容性問題，所以要解決基本的電磁兼容性故障，就至少要解決以上三個必須條件中的一個。

4.2 電磁兼容性問題解決的基本方法

針對直升機電磁兼容性問題產生的三個必須條件，只要對其中任何一個條件進行排故工作，就可解決電磁兼容性問題。

4.2.1 消除穩定的干擾源。一般來說，直升機上的穩定干擾源一般是機上成品。如果機上成品是穩定的干擾源，就可通過組合頻譜儀和接收天線、電流環或電磁環進行信號測試，從而實現對干擾源的定位。干擾源的具體表現形式為成品內晶振震蕩輻射、高壓高電流系統對空氣的電暈放電或通信（廣播、定位）等大功率無線電發射設備對外發射無線電波。①解決成品內晶振震蕩輻射的方法。對成品內部進行優化改進，在不影響成品功能的前提下，更改成品內部的晶振頻率，完成成品自屏蔽的更改工作，同時在條件允許的情況下，將成品接插件更換為屏蔽接插件。②解決高壓高電流系統對空氣電暈放電的方法。將相應高壓高電流系統的電源電纜更換為屏蔽電纜，如果電纜無法更換，可在相關線路上套上屏蔽套，一般此類干擾為低頻干擾，屏蔽收頭要以單端接地的方式進行接地。由于通信、廣播、定位等大功率無線電發射設備屬機上成品功能性設備，主要通過發射天線對外發射電磁波，暫時無法對其做出相應更改，最好的解決辦法是頻率隔離，在直升機設計階段合理分配頻率分布及對發射天線實施隔離分布。

4.2.2 隔斷干擾能量的傳播途徑或通道。通常情況下，電磁干擾的傳播途徑有兩個，一是傳導傳播，二是輻射傳播。①傳導傳播最基本特征是干擾源與敏感器件之間必須有完整的電路連接，干擾信號沿電路傳至敏感器件。可通過組合示波器、萬用表、負載組合而成的接收回路對信號進行測試，從而定位干擾源，傳播電路包括導線、設備導電構件、供電電源、公共阻抗、接地平面電阻等。解決電磁干擾傳導傳播途徑的方法如下：重新更改機上相應接地系統，做到合理分流；在條件允許的情況下，將機上相關成品搭接電阻調整為最小狀態，滿足電磁兼容搭接需求；在重大干擾信號傳輸電路線路中，按照其信號特性來增加相應濾波器，對信號進行濾波，濾除或衰減干擾信號。②輻射傳播的最基本特征是電磁干擾信號通過介質以電磁波形式進行傳播，干擾能量按照電磁場規律向周圍空間發射，輻射傳播包括天線輻射、產品晶振輻射、電源線電磁場輻射等。解決電磁干擾輻射傳播途徑的方法如下：在相應高壓高電流系統電源線路上套上屏蔽套，斷絕其向外產生電磁場；在系統布局時，將容易相互干擾的設備盡量安排的較遠，通過空間隔離來減小相互干擾信號；機上電纜布線時，導線的拐彎應為圓角，同時盡量限制平行線間的最小距離；容易干擾的機上電路板布線時，信號線與電源線必須交叉的地方要使導線互相垂直，同時規定線與線之間的最小間隔；盡量將電信號轉換為光信號進行傳播；設備要安全合理接地，滿足電磁兼容性搭接要求；若存在不可避免的情況，應將機上使用頻率按時間或功能性分布進行管制。

4.2.3 減少被干擾對象的響應。電磁干擾的傳播途徑有兩個，一是傳導傳播，二是輻射傳播。與之相對應的，被干擾的敏感設備與干擾的耦合途徑也有兩個，一是傳導耦合，二是輻射耦合。減少被干擾對象響應的方法如下：優化被干擾成品的內部電路，增加相應濾波器選擇性抑制干擾；成品搭接電阻做到最小，采用最好的接地技術，滿足電磁兼容搭接需求；對容易被干擾的相關線路采用屏蔽技術對干擾信號進行屏蔽；在被干擾設備成品內部信號輸入端增加濾波器來過濾干擾信號；對容易被干擾的設備外部采用自屏蔽技術，同時采用屏蔽接插件對外部干擾信號進行隔絕；成品內部采用合理的接地技術，分離與引導消除干擾信號。

5 結語

直升機從研制到最后批量生產過程中會出現許多問題，這些問題可能是直升機維護性問題，也可能是選材問題，還有可能是需要進一步優化改進的問題［4］。通過上述故障案例分析可知，該故障是由制冷電控盒的門限電流設置不合理導致的，通過多次地面試驗和飛行驗證，最終可找出既能保護空調系統，又不會影響到直升機正常工作的電流值，但該故障在直升機電磁兼容試驗時能被發現，所以在后續的直升機研制過程中，應制定全面的整機電磁干擾試驗計劃，從而避免類似故障的出現。