72直升机旋转部件载荷参数测试技术-章海红(5)

1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文 直升机旋转部件载荷参数测试技术 章海红王泽峰 （中国飞行试验研究院，西安，710089） 摘 要：本文综述了国内外直升机旋转部件载荷参数测试技术的发展和现状。重点介绍了直升机旋转部件 载荷数据采集系统的发展及在型号试飞中的应用情况。 进一步探讨了新的测试方法，对电阻应变计测量法、 光纤测量法和单点加速度计测量法以及投影波纹干涉测量法（投影光栅法）等四种测试方法进行了对比分 析。文中涉及的相关测试技术可为今后直升机强度试飞的不断改进提供参考。 关键词：直升机；旋翼载荷；测试方法 0引言 近年来，随着新型号直升机的日益剧增，直升机强度试飞不断发展壮大，尤其

2、是直升机测试技 术取得了显著的进步。本文根据国外的一些发展情况，针对直升机旋翼测试技术的现状，提出了几 种新的测试方法，可为今后直升机强度试飞的不断改进提供参考。 1发展现状 直升机旋翼主轴、传动轴以及桨毂等关键旋转部件的飞行载荷测量、旋转件振动载荷（应力） 测量以及桨叶运动参数测量是进行直升机旋转部件强度试验和疲劳寿命计算等工作的基础，因此一 直是直升机设计、生产和使用部门密切关注的问题。为了满足飞行试验对测试技术的高要求，目前 国内外应用于直升机飞行试验的旋转部件参数的测量和采集方式大致分为三类： （1）引电器方式。用引电器将所测旋转件的信息集流传递到静止的机载应变仪上，使用安装在 机体的

3、机载磁带机进行采集记录。 （2）遥测方式。在旋转件上改装机载遥测天线，传感、放大装置将信息直接或编码后由无线电 传输到地面站进行实时自动化数据处理，或由本机机体的无线电接收装置连接采集记录器接收记录。 （3） 固态采集方式。由自带电源、记录器和时码发生器的固态数据采集系统固接在旋翼/尾桨 桨毂顶端，与旋翼（尾桨）同步运转，对旋转部件参数进行记录。 1.1国外发展现状 20世纪50年代以来，国外成功地开展了以CH-47、AH-1G、SA349/2和UH-60直升机为代表 的强度试飞，飞行测试了包括旋翼桨叶运动参数（含位移和加速度）、桨叶温度和压力分布等诸多参 数。50年代中期曾在有些机型上用光测

4、法和应变电测法等进行实测研究。美国曾在UH-60上用旋转 的电位计或者类似的硬件设备（三个旋转变差分变换器 RVDTS ）来测量桨叶挥舞、振摆和变距运动。 70年代，国外开始了直升机动态载荷识别技术试飞。80年代初，美国成功地进行了基于机身加速度 响应的AH-1G直升机旋翼桨毂力和尾桨拉力的动态载荷识别。90年代初，美国开展了基于桨叶压 力响应的UH-60直升机的旋翼桨叶动态载荷识别技术研究。1993年7月至1994年2月，美国利用 自行研制的带集流环的旋翼数据采集系统（RDAS ）和机身数据采集系统（ADAS ）完成了 UH-60A 旋翼气动载荷飞行测试，测试的旋翼参数362个，机身参数93

5、个。随后又完成了基于 UH-60A桨叶 压力响应的UH-60A桨叶载荷识别。1995年，美国在UH-60A黑鹰直升机上，应用集流环供电，采 用激光测距法对挥舞角作了直接测量，但摆振角只是通过间接解耦计算得到。 1.2国内发展现状 国内直升机飞行试验开创于20世纪60年代末。在实验应力分析的基础上进行了直升机强度试 飞的实践。先后进行过小拉杆铰链力矩及主轴等旋转六部件的应力遥测以及主减速器架、主轴、桨 毂等静部件的应力实测。70年代后期，进行过桨毂应力实测，并进行过雨流法和功率谱法的研究。 随着研究的深入，直升机结构动力学取得了长足的进步。时域和频域技术有了新的发展，载荷 识别技术得到了国内外的

6、关注。硬件方面，直升机旋转部件测试技术上也有了突破。成功应用于试 飞实测的直升机旋转件载荷（应力）数据采集系统上。 2测试方法介绍 随着测量技术的发展，近年来国内外都在寻找强度测试技术更好的方法，除了最基本的电阻应变计 测量法外，还有光纤测量方法、单点加速度计法和投影波纹干涉测量法以及投影光栅测量法等，现就这 些测试方法进行探讨。 2.1电阻应变计测量方法 电阻应变计是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。测量前，先用粘结剂将 应变片粘贴在构件的实测部位上，应变片可随着构件的实测部位一起变形。 在常规应变测量试飞技术中，采用电阻应变计测量法来获取应变试验数据是一种基本的测试手 段。

7、由于它适应性强，所以被广泛采用。但电阻应变计易受环境（如温度、湿度、电磁场、化学腐 蚀等）的影响，使用寿命较短，使其应用范围受到一定的限制。试验中必须加装机载测试传感器、 数据采集记录设备和数据遥测传输设备等。应变传感器（片）改装工艺：粘贴、组桥、焊线、标定、 校准等都有其特殊要求。国内已采用此方法进行了大量强度飞行试验。 2.2光纤测量法 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是 一种无源滤波器件。光纤光栅可以用来实时、准确地反映结构内部的力学变化。 现举例来说明光纤光栅和传统电阻应变计测量载荷的结果。 在同一试件上粘贴电阻应变计和光纤光栅，同时给该

8、试件施加轴向力（见图1）。实验过程中， 作用载荷以0.5mm/min的速率增加，载荷和位移每2 s间隔由数据采集系统记录1次。两种方法测 量结果的比较见图 2图4。 25Hmm 先纤光酣 图1被测试件 光纤通道1 载荷（N） 量增长波 图4光纤光栅与传统电阻应变计测量平均值比较 图3光纤光栅测得的载荷应变曲线 图2和图3显示了同一垂直方向分别由电阻应变计和光纤光栅所获得的试件对应位置应变及光 纤栅波长随载荷变化的关系图。由图中可看出，波长偏移量、应变计测得的应变的增加量都随外加 载荷呈现出较好的线性增大关系，且随着载荷的进一步增加，应变、波长增益也相应增加。从图1 和图2中还可以看出，光纤光栅

9、和传统电阻应变计的测量结果在相同的受载情况下变化稳定，用光 纤光栅测得的结果其灵敏度和分辨率能够保证结构内部应变测量的精确度。 从图4可以看出，在同样的载荷作用下，光纤光栅所得到的应变要略大于传统电阻应变计所测 得的表面应变值。表明随着外加载荷的进一步增加，结构内部有可能先出现失效。因而，加强结构 内部的参数测试和强度预估就显得极为重要。 测试结果表明，光纤光栅对外界条件的变化有较强的灵敏性，随着外载荷的变化，光纤光栅中 心波长的漂移增益曲线呈现出良好的线性关系，光纤光栅可以用来实时而准确地反映结构内的力学 变化。 目前我们正在进一步研究和探索中，光纤测量法很适合直升机小部件的测量。 2.3单

10、点加速度计测量方法 通常，直升机旋翼系统需要测量旋翼运动和载荷数据，为了减少测量误差和确保飞行安全，过 去大多数测试仪器要求特定的桨叶和固定硬件，甚至要求对试验机进行重大的修改，这就加大了试 验准备的工作量，同时也不适宜应用于具有统计意义的试验科目上。为此采用测量直升机旋翼运动 和载荷的新方法一一单点加速度测量方法。这种测量技术可以在飞行试验中快速确定旋翼机桨叶运 动和载荷（气动、惯性和结构）。通过使用桨叶固定加速计并结合简单的信号处理方法来实现的。不 仅不需要在机体、桨毂或旋翼桨叶的两个单独位置安装测试设备，而且可以从试验机上快速安装和 拆除。 现以一个旋翼为例（如图5）来说明该测量方法的基

11、本组成。 旋翼系统部分包括：6个微型加速计，用5V电源，频率50Hz，灵敏度2V/50g ; 个多路传输 的A/D转换器，12位传输8个数据；一个8位微控制器；四股扁平电缆。扁平封装电池（按试验要 求配），脉码调制（PCM）格式器（格式化程序即格式数据流）以及红外数据链（IRDA ）收发器。 机身系统部分包括：红外数据链收发器（ IRDA）；脉码调制（PCM ）位同步器；微型计算机； 串/并变换器，同步器来 2路（串），至计算机16路（并）；16股和2股的电缆各一条（变换器和计 算机之间16,变换器和同步器之间 2）；脉码调制（PCM ）记录器（可作备份或比较用）。 图5旋翼安装加速度计的测试

12、系统简图 2.4投影波纹干涉测量法 旋翼扭转自动控制多年来一直是直升机界一个长期的奋斗目标。新型直升机为了减少在直升机 悬停时旋翼振动载荷和噪声，采用主动扭转旋翼系统。但这种自适应桨叶扭转系统，必须通过试验 手段测定直升机旋翼桨叶偶合弯曲和扭转的复合桨叶变形。投影波纹干涉测量法最适用于测量这种 变形。 这种方法的基本原理是在每个主动扭转旋翼结构中嵌入压电主动纤维复合激励器。应用高电压 给激励器引起桨叶的应变使桨叶扭转，用调节其作用的电压值可改变扭转值。利用摄像机，照相机 和投影器进行变形测量。这种测量方法是一种不接触、视频基的光学测量技术，能够实现在投影波 纹干涉测量系统的视场范围内整个目标面

13、的空间连接结构变形测量。在直升机旋翼试验时，可沿整 个旋翼翼展测量不同方位的桨叶弯曲和扭转变形。 直升机的自适应扭转系统，首先由美国NASA兰利研究中心、陆军研究实验室和麻省理工学院 主动材料和结构实验室联合研制，并在2000年10月首先采用投影波纹干涉测量法在NASA兰利研 究中心跨声速动态风洞中进行了试验。 这种投影波纹干涉测量法不但可应用于旋翼机，也可应用于半翼展气动弹性翼、固定翼机和微 型飞行器。 3结束语 本文提出的这几种测量方法各有特点，都能满足直升机强度试飞在数据测试精度上的要求，但 在应用上必须根据不同机型，不同任务，测量的具体部位和内容的要求进行认真的选择，有时可以 交叉或混

14、合使用，综合考虑，可能会起到取长补短的效果。40年来伴随着直升机从仿制、测绘、自 行设计到有自主知识产权的研制进程，型号和预研试飞也突破重重困难，取得了显著的、长足的进 步。在测试设备和测试方法上都在不断革新和改进。但为了更上一层楼，目前急需进行测量方法的 改进和多样化，逐步开展各种开拓性的实验，找出最适应新试飞任务的测试方法，为今后更好地完 成新的试飞打下坚实的技术基础。 表1几种测量方法的比较 方法 优点 缺点 测量内容 电 阻 应 变 计 测 量 法 1.适应性强，被广泛采用。 2 价格较低，结构简单。 3. 测量范围广。既可测量弹性变形，也可测 量塑性变形。 4. 容易实现温度补偿。

15、5 数据处理相对简单。 1 受环境（如电磁场、温度、湿度、化 学腐蚀等）的影响大，使用寿命较短 2 .在大应变状态下具有较大的非线性。 3 .应变片的输出信号较微弱，故其抗干 扰能力较差，需对信号连接导线要认真 屏蔽。 4 导线长/附加质量多。导线电阻较大。 5 粘接剂及基底材料在高温下绝缘电阻 会降低，产生零点漂移，使测量电路灵 敏度下降，引起较大的测量误差。 用于测量应变、应 力、弯矩、扭矩等。 可用于静态测量 和动态测量。 光 纤 测 量 法 1. 抗干扰性（电磁场、化学腐蚀等）强 2. 尺寸小/重量轻/布线长度和附加质量少 3. 灵敏度和测试精度高 4. 动态范围宽 5. 有很高的可靠

16、性和稳定性 6. 复用性好 7 .绝缘性好 1 比较脆弱，应力集中处可能会导致断 裂； 2涂层、紫外线照射等可损伤光纤，影 响它的敏感性。 可测量轴向应变， 也可单独测温度， 可测旋翼桨叶动 载荷测量 单 占 八、 加 速 法 1 可以广泛地独立应用 2 更灵活、更可靠的方式估计旋翼运动，而 对旋翼桨毂安装要求的影响最小 3 转换成模拟软件比较直接 4 在确定旋翼气动载荷和气动弹性响应时， 不需要采用复杂的模型估计器或常规谐 波近似估算 5 .迅速确定测量结果 6 允许捕获瞬时响应数据 7 传感器可快速安装和拆除 8 通用性相对较强 1 .加速度计比应变计贵 2 地面校准和验证试验相对较复杂

17、可测量旋翼运动 （包括桨叶模态 位移、速度和加速 度）和载荷数据 （包括气动力、惯 性和结构） 涉测量法 投影波纹干 1 .是一种不接触、视频基的光学测量技术 2 没有传感器安装问题 3 不需要进行大量的试验改装和模型测量 4 可应用于旋翼机、固定翼机、半翼气动弹 性翼和微型飞行器。 1 摄像机、照相机和投影仪必须微型化 2 .这些光学设备的机上安装存在一定难 度 可测量沿整个旋 翼翼展测量不同 方位的桨叶弯曲 和扭转的变形 参考文献 1 Robert Me Killip , Jr. A Noverl Instrumentation System for Measurement of Heli

18、copter Rotor Motions and Loads Data. The American Helicopter Society 58 th Annual Forum 2002. 2 Gary A.Fleming, etc. Projection Moire Interferometry for Rotorcraft Applications: Deformation Measurements of Active Twist Rotor Blades. The American Helicopter Society 58 th Annual Forum 2002. When you a

19、re old and grey and full of sleep, And nodding by the fire, take dow n this book, And slowly read, and dream of the soft look Your eyes had once, and of their shadows deep; How many loved your mome nts of glad grace, And loved your beauty with love false or true, But one man loved the pilgrim soul i

20、n you, And loved the sorrows of your cha nging face; And bending dow n beside the glow ing bars, Murmur, a little sadly, how love fled And paced upon the mountains overhead And hid his face amid a crowd of stars. The furthest dista nee in the world Is not betwee n life and death But whe n I sta nd in front of you Yet you dont know that I love you. The furthest dista nee in the world Is not whe n I sta nd in front of you Yet you cant see my love But whe n un doubtedly knowing the love from both Yet cannot