劉搏

(中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001)

1 背景

直升機旋翼防除冰技術(shù)作為保證直升機在結(jié)冰氣象條件下安全飛行的關(guān)鍵技術(shù)，在經(jīng)歷“十五”和“十一五”預(yù)先研究工作之后，首次應(yīng)用于直升機上。

目前作為直升機旋翼防除冰的監(jiān)控及執(zhí)行部件，旋翼防除冰電控子系統(tǒng)其供電控制系統(tǒng)設(shè)計是否合理、控制律的設(shè)計是否正確以及旋翼防除冰工作時對機上電源系統(tǒng)的影響等驗證工作變得十分必要。然而國內(nèi)關(guān)于旋翼防除冰電控子系統(tǒng)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(tǒng)驗證技術(shù)，能使該系統(tǒng)在地面試驗室得到驗證。

2 設(shè)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(tǒng)：探測子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)以及加熱子系統(tǒng)。

探測子系統(tǒng)用于探測直升機所處環(huán)境的大氣溫度及結(jié)冰情況，由大氣溫度傳感器和結(jié)冰探測器組成：大氣溫度傳感器用于探測直升機所處環(huán)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(zhǔn)確反映出當(dāng)前傳感器所處環(huán)境的溫度；結(jié)冰探測器用于給出結(jié)冰告警信號，其基本原理為結(jié)冰探測器探頭以固有的額定頻率振動，當(dāng)探頭處受到冰層覆蓋后，探頭的振動頻率會發(fā)生變化，通過振動頻率的改變反應(yīng)探頭處的結(jié)冰厚度，當(dāng)結(jié)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(jié)冰探測器將相應(yīng)的信號發(fā)送給電控子系統(tǒng)。電控子系統(tǒng)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(huán)和尾槳集流環(huán)組成：旋翼防除冰控制器在接收到探測子系統(tǒng)大氣溫度及結(jié)冰告警數(shù)據(jù)后，依據(jù)給定的控制律將主、尾槳加熱控制指令發(fā)送給防除冰配電盒，同時將工作狀態(tài)發(fā)送給綜合顯示及告警系統(tǒng)；防除冰配電盒根據(jù)旋翼防除冰控制器發(fā)出的控制指令，將旋翼防除冰加熱電源分配給主槳集流環(huán)和尾槳集流環(huán)。

主槳集流環(huán)由靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉(zhuǎn)部件連接主槳加熱組件，靜止部件與旋轉(zhuǎn)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(xiàn)主槳防除冰的供電及控制功能。

尾槳集流環(huán)由靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件組成，靜止部件連接防除冰配電盒，旋轉(zhuǎn)部件連接尾槳加熱組件，靜止部件與旋轉(zhuǎn)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(xiàn)尾槳防除冰的供電及控制功能。

加熱子系統(tǒng)由安裝在主槳葉內(nèi)部的主槳加熱組件和安裝在尾槳葉內(nèi)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(zhuǎn)化成熱能，旋翼防除冰工作時主、尾槳葉內(nèi)部的加熱組件發(fā)熱導(dǎo)致槳葉表面溫度高于槳葉表面結(jié)冰溫度，從而實現(xiàn)主、尾槳葉的防除冰功能。

圖1 旋翼防除冰原理框圖

根據(jù)當(dāng)前直升機旋翼防除冰系統(tǒng)組成及原理，為了驗證電控子系統(tǒng)，需要對旋翼防除冰電控子系統(tǒng)的輸入條件即探測子系統(tǒng)進行模擬，因此，本文采用了電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、智能化數(shù)字信號發(fā)生器等實現(xiàn)對結(jié)冰信號和大氣溫度信號的模擬，建立防除冰系統(tǒng)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(shù)字信號發(fā)生器對結(jié)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(tǒng)輸入環(huán)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(tǒng)，完成了旋翼防除冰電控子系統(tǒng)輸出環(huán)境的搭建。

第三，考慮實際工作情況時，主、尾槳集流環(huán)均處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，本文采用了伺服電機與集散式控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)、計算機技術(shù)實現(xiàn)對集流環(huán)組件運轉(zhuǎn)的驅(qū)動和控制，其中運轉(zhuǎn)部分為空心電機直接驅(qū)動，最大程度的模擬了產(chǎn)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(tǒng)的主、尾槳加熱組件均安裝在旋轉(zhuǎn)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(tǒng)的大功率阻性負載同實際情況的主、尾槳葉一樣處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，本文采用大功率多路工藝集流環(huán)實現(xiàn)動態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換，解決主、尾槳加熱組件實際運轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下模擬負載的加載問題。實現(xiàn)了旋翼防除冰電控系統(tǒng)成品驗證的功能。

基于上述設(shè)計思路，本文提出的驗證技術(shù)包含信號模擬器、低速運轉(zhuǎn)臺、高速運轉(zhuǎn)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(tǒng)輸出的相關(guān)參數(shù)，包括大氣溫度信號及結(jié)冰告警信號，由高精度電阻、數(shù)字信號發(fā)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(shù)字信號發(fā)生器用于模擬結(jié)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(zhuǎn)臺

低速運轉(zhuǎn)臺用于模擬主槳集流環(huán)組件安裝環(huán)境，由低速伺服電機和大功率工藝集流環(huán)組成。低速伺服電機用于模擬機上主槳轉(zhuǎn)速；大功率工藝集流環(huán)由靜環(huán)和動環(huán)組成：動環(huán)與主槳集流環(huán)的旋轉(zhuǎn)部件相連，靜環(huán)與主槳模擬負載相連，低速運轉(zhuǎn)臺工作時，主槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—主槳集流環(huán)靜止部件（靜止）—主槳集流環(huán)旋轉(zhuǎn)部件（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)動環(huán)（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)靜環(huán)（靜止）—主槳模擬負載。從而實現(xiàn)主槳加熱電信號從動態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換功能。

（3）高速運轉(zhuǎn)臺

高速運轉(zhuǎn)臺用于模擬尾槳集流環(huán)組件安裝環(huán)境，由高速伺服電機和大功率工藝集流環(huán)組成。高速伺服電機用于模擬機上尾槳轉(zhuǎn)速；大功率工藝集流環(huán)由靜環(huán)和動環(huán)組成：動環(huán)與尾槳集流環(huán)的旋轉(zhuǎn)部件相連，靜環(huán)與尾槳模擬負載相連，高速運轉(zhuǎn)臺工作時，尾槳加熱電源由防除冰配電盒（靜止）—尾槳集流環(huán)靜止部件（靜止）—尾槳集流環(huán)旋轉(zhuǎn)部件（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)動環(huán)（旋轉(zhuǎn)）—大功率工藝集流環(huán)靜環(huán)（靜止）—尾槳模擬負載。從而實現(xiàn)尾槳加熱電信號從動態(tài)到靜態(tài)的轉(zhuǎn)換功能。

（4）測試控制臺

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

（5）中頻地面電源

模擬機上交流電源系統(tǒng)給旋翼防除冰系統(tǒng)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。

3 實用案例

目前，本驗證技術(shù)已成功應(yīng)用在國產(chǎn)某型直升機上。該型直升機旋翼防除冰于2013年開始詳細設(shè)計，同年，根據(jù)本文提供的直升機旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗證技術(shù)搭建了試驗環(huán)境。

在初樣件研制階段，依托該試驗環(huán)境，完成了旋翼防除冰電控子系統(tǒng)的地面模擬試驗，為后續(xù)的裝機試驗提供了充足的試驗依據(jù)，為噴灑塔試驗提供了寶貴的試驗數(shù)據(jù)；同時為后續(xù)階段產(chǎn)品研制提供了改進方向及驗證依據(jù)。

通過本文提供的旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗證技術(shù)，成功達到了以下效果：

（1）驗證系統(tǒng)設(shè)計和成品配套的正確性；

（2）檢查系統(tǒng)接口關(guān)系的正確、協(xié)調(diào)性；

（3）檢查系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計的正確、協(xié)調(diào)性；

（4）檢查系統(tǒng)供電方式的正確性和功率器件的匹配性；

（5）考核系統(tǒng)工作性能的可靠穩(wěn)定性；

（6）為系統(tǒng)改進或定型提供試驗依據(jù)；

（7）奠定后續(xù)機型的旋翼防除冰電控系統(tǒng)地面模擬試驗的基礎(chǔ)。

圖2 旋翼防除冰電控子系統(tǒng)驗證技術(shù)原理框圖

4 結(jié)論

本文提出的驗證技術(shù)方法實際可行，實現(xiàn)了旋翼防除冰電控系統(tǒng)成品驗證的功能，能夠在裝機前驗證電控子系統(tǒng)的功能、性能，對電控子系統(tǒng)工作性能的可靠穩(wěn)定性進行了考核，為系統(tǒng)改進或定型提供試驗依據(jù)。