共轴式双旋翼直升机锥体测量技术研究

孙灿飞，何 泳，莫固良

(中航工业上海航空测控技术研究所，上海 201601)

0 引言

直升机旋翼是为直升机飞行提供升力和操纵力的核心部件，直接关系到直升机的安全及其他各项重要性能的优劣。直升机旋翼高速旋转产生的锥体是直升机旋翼系统技术状态的综合反映，包括桨叶气动外形、旋翼及桨叶的动态特性、桨叶安装和固定情况、桨叶重量变化及旋翼系统的故障情况等，均反映到旋翼锥体的变化。为此，测量和监视旋翼锥体是直升机使用维护中的重要检测内容。

旋翼锥体测量主要是检测各片桨叶形成的锥体之间的相差值是否在允许的范围内，也称旋翼同锥度检测。测量参数主要有各片桨叶的绝对挥舞值、相对挥舞值以及摆动值，如果某片桨叶形成的锥体出现超差，就需对该桨叶进行棱面调整。

1 单旋翼直升机锥体的测量方法

根据使用维护手册，直升机锥体检查时，不仅仅需要进行地面锥体检查，也需要进行空中悬停状态、前飞状态的锥体检查，而确定直升机飞行中的锥体更有意义，因为直升机在水平飞行时，旋翼工作在不对称的气流环境下，容易引起较大振动，而且直升机大部分飞行状态是水平飞行，仅仅通过地面锥体测量数据来调整旋翼锥体很难使直升机旋翼在飞行状态处于良好的工作状态，振动水平最小。也就是说，仅依据地面锥体的测量结果对旋翼做出调整，不能够保证直升机在飞行中的振动水平处于低水平。

很早以前，直升机在开始投入使用时就要求进行旋翼锥体测量，受当时技术水平的限制，测量旋翼锥体使用的是标杆法，即维护人员先在每片桨叶的桨尖涂上不同颜色，然后在标杆顶端绑上白色纸筒，在直升机地面开车后，标杆逐渐靠近桨叶桨尖，这样每片桨叶叶尖的涂料会在白纸筒上留下不同高度的痕迹，用直尺测量它们之间的距离，就粗略知道了每片桨叶锥体的情况。这种方法只能用在地面开车阶段测量旋翼锥体，同时操作人员须具备相应的操作技巧，且具有一定的危险性。

随着科学技术的发展，在80年代开始使用频闪仪，即维护人员先在每片桨叶的桨尖装上带有不同形状或数字反光纸的靶标，在直升机地面开车后，利用频闪仪照射桨叶，对准桨尖某一固定位置，在每片桨叶到来时，产生一束强烈闪光照亮该桨叶叶尖的靶标，由于人眼的延滞性，可以看到每片桨叶上的靶标，但是使用这种测量方法得到测量结果仍旧需要“人”的判断，测量时间长，测量效果受气象条件影响，有时对测量得到的结果会有争议，且测量结果无法记录和保持。

综上所述，标杆法无法测量飞行中的旋翼锥体，频闪仪方法可以实现，但测量受空中光照及直升机晃动等影响，效果不好。

2 共轴式双旋翼直升机旋翼锥体的测量方法

前面提到的两种旋翼锥体测量方法主要用在单旋翼系统的直升机，而对于共轴式双旋翼直升机，这两种测量方法都存在一定难度。共轴式双旋翼直升机具有绕同一理论轴线一正一反旋转的上下两副旋翼，由于转向相反，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡，通过上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩可实现航向操纵。如果使用标杆法，只需标杆高度控制合适，就可实现下层旋翼锥体的测量，但进行上层旋翼锥体测量时需避开下旋翼，这是传统的直杆无法实现的。后来有人发明了可升降的弓形标杆，这种标杆虽然可以实现上下层旋翼锥体的测量，但无疑更增加了测量的难度、不准确性和危险性。

图1 标杆法测量共轴式双旋翼直升机锥体

由于共轴式双旋翼直升机上下两副旋翼旋转方向相反，位置相互错开，所以通过频闪仪也可实现上下旋翼锥体的测量，但由于上层旋翼较高，既增加了靶标安装的难度，也影响了靶标的反光效果，更易受天气等因素的影响，增加了判断的难度和不确定性，外场使用效果不理想。

2.1 光学传感器工作原理

目前国内已研究采用光学原理的特种传感器测量直升机旋翼锥体，这种传感器内部安装有两个固定光轴夹角为11度的光敏器件，旋翼旋转时，当桨叶通过传感器上方时，由于桨叶对光线的遮挡效应，光敏传感器得到不同强度的光，随着旋翼的旋转，产生了一系列与旋翼运动情况有关的脉冲信号，挥舞值大的桨叶划过11度视场的时间就长，反之亦然，这样就将桨尖的运动参数变成可以测量的电脉冲信号。测量脉冲见图2。然后通过几何关系和时间关系的计算(见公式1)，即得到旋翼的绝对与相对挥舞值。

其中，ΔT=T12-T11，T11表示桨叶1前沿进入光学传感器11度视场时刻值，T12表示桨叶1前沿出11度视场时刻值，T13表示桨叶1后沿出11度视场时刻值，α表示光学传感器轴线与水平面夹角，L0表示光学传感器安装位置距离桨毂的距离，ω代表测量的旋翼角速度，h1表示桨叶1绝对挥舞值。`同理，其他桨叶的绝对挥舞值和摆动值也可通过该公式进行计算获得，以某一桨叶为基准，其他桨叶绝对挥舞值与基准桨叶绝对挥舞值之差就为相对挥舞值。

这种测量方法可以实现自动、高精度测量，受天气影响小，也可实现飞行中的锥体自动测量，同时还可以将测量结果进行存储，为实现对旋翼的故障诊断创造了条件。

图2 光学传感器测量单旋翼直升机示意图

2.2 采用光学传感器测量共轴双旋翼直升机锥体

在共轴式双旋翼直升机尾部特定位置安装光学传感器。考虑到旋翼旋转后桨叶上扬，光学传感器安装应保持一定角度α，轴线应对准上层桨叶的根部，并适当向内移动若干厘米。在试验过程中可以进行调整。一旦确定，后续使用可将位置L0和角度α固定，见图3。

图3 光学传感器机上安装位置示意图

由于上下层桨叶旋转时位置错开、方向相反，因而上下层桨叶按次序进入光学传感器视场。根据光学传感器的工作原理，形成与单旋翼不同的时序关系，见图4。

计算时需将上下层桨叶产生的脉冲进行分离，分别得到上层桨叶的时序关系和下层桨叶的时序关系，然后分别按照单旋翼的计算公式(1)进行计算。

其中，hu1表示下层桨叶1的挥舞值，ha1表示上层桨叶1的挥舞值，ΔTu=T12-T11，ΔTa=T23-T21，同理可计算出其余桨叶的挥舞和摆动值。

图4 光学传感器测量共轴双旋翼直升机示意图

2.3 外场验证

使用该光学传感器测量共轴式双旋翼直升机的旋翼锥体的方法在外场进行了多次验证，对存在的比如安装位置，测量下桨叶锥体位置非桨叶根部，脉冲干扰的滤波以及上下桨叶交叉重叠等等问题进行多次试验或改进，也与打标杆、频闪仪方法进行对比试验，如图5，最终结果令人满意。

3 结束语

针对分析共轴式双旋翼直升机旋翼锥体的特点，对比标杆法、频闪仪测量方法的缺点和不足，采用光学传感器方法测量共轴式双旋翼直升机旋翼锥体，更能满足该类直升机的维护需求。另一方面，先进的传感器技术也带动快速、精确、自动、智能的测量方法的出现，为进一步实现直升机机载健康管理及故障诊断系统(HUMS)提供了必要的手段和方法，整体提高直升机的维护水平和维护能力。

图5 光学传感器与标杆法测量共轴双旋翼直升机的结果对比图

［1］倪先平.直升机手册［M］.北京:航空工业出版社，2003.

［2］康 颖.直升机旋翼动平衡调整的原理和方法［J］.飞行试验，1998(01).

［3］王新洲.检测直升机旋翼同锥度的新手段［J］.直升机技术，1991(01).

［4］董良，李惠斌，马效臣.直升机桨叶动平衡试验技术研究.测控技术［J］，2007，26(01):76-78.

［5］胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现(第二版)［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［6］薛伟松，邢培，郑牧，等.直升机旋翼锥体及动平衡设备校验系统的研究［J］.测控技术，2006，25(03).