摘要：地面共振试验是直升机研制过程中的一项重要试验，通过地面共振试验，检查直升机在所有运行转速范围内是否有地面共振，以确保其地面运转安全。根据试验测得的动态响应时程，分析直升机模态频率及模态阻尼，从而确定地面共振的稳定裕度。本文利用无线振动传感器对某型号直升机首次地面开车共振进行了检查试验，取得了预期的效果。
关键词：直升机；地面共振；测试技术
直升机旋翼/机体耦合动力学稳定性是直升机动力学中最复杂的问题之一，涉及旋翼结构动力学、空气动力学、旋翼与机体间复杂的耦合关系及直升机飞行力学。而直升机“地面共振”是危及直升机安全的一个特有的动力学问题。因此，在新机的研制过程中，需要进行地面开车共振检测试验。
一、地面共振简介
直升机地面共振是直升机在地面工作状态时发生的旋翼--机体耦合自激振动，是针对全铰型直升机的一种潜在的具有破坏性的空气动力学现象。这种振动一旦发生，振幅在几秒钟内便可达到十分剧烈的程度，常造成桨叶折断、轮胎破裂、机身翻倒，甚至人身伤亡等严重事故。直升机地面共振曾一度成为阻碍直升机发展的技术难关。
二、问题的提出
直升机地面共振检测试验是型号研制中不可缺少的重要试验项目之一，传统的方法是根据试验任务要求在机上布置振动传感器及相应的性能测量参数。因地面共振检测试验是高风险项目，为规避风险，不允许监测设备及测试人员在机上进行试验，需通过长电缆将振动和其他测试信号传输到距离直升机50米外的测试工房，当试验中出现异常振动时，飞行员通过地面试验人员切断试验电缆线，将直升机作离地起飞处置，以此来避免事故的发生。然而，这种测试技术与方法会给直升机及测试人员带来很大的安全风险，一旦发生事故，切断的长测试电缆仍与直升机有交联，在强大的直升机洗气流作用下，安全风险仍然存在。
针对测试中存在的不足，开展了测试技术及其方法的研究。如果测试系统通过无线传输的方式，将机上所有测试信号发送到远离直升机的安全地方来接收及监控测试过程，解决机上到工房有线连接的方式，有助于提高试验的安全保障及试验效率。
三、直升机地面共振试验测试系统组成
测试系统由振动（应变、温度、位移）传感器、网关接收器、接口电路、计算机等组成，根据测试参数的数量和测试系统的复杂性，可使用星型拓扑或树形拓扑结构方式，图1是测试系统的原理示意图。示意图仅以振动参数为例，实际测试参数包括应变、位移、温度等无线传感器，分别测量直升机的旋翼轴应变，驾驶杆位移和旋翼转速、发动机参数等。
无线加速度传感器内置有感应元件、电源模块、调理模块、抗混滤波、模数转换、无线传输等模块。作为测试系统中的一个节点，它将多种功能集成在一起，具有结构紧凑、体积小巧的特点。解决了原有多功能设备分体式安装的问题，特别是对安装位置有限的直升机，带来了极大的方便。同时，极大地节省了试验中反复布设有线设备所消耗的人力、物力，以及消除了因长试验电缆传输和多接头连接点造成的噪声干扰，整个测试系统具有较高的测量精度及抗干扰能力。
无线加速度传感器将采集到的物理信号通过以2.4GHz的传输频率的发射机进行传输，无线网关接收机在地面远距离对接收到的无线信号进行数据解调，还原成原始信号，并通过计算机接口发送给计算机进行计算、分析处理、存储及显示。无线振动传感器是直升机地面共振测试系统的核心，最大采样速率为4kHz，根据测试需要，可由计算机控制任意调接，采集的数据可实时传输到计算机上，也可存储在传感器内置的2M数据存储器内，从而保证了采集数据的准确性及有效性。无线振动传感器空中传输速率能达到250kbps，有效室外通信距离能达到1km，内部设计专用电源管理软硬件。在实时传输不间断的情况下，其低功耗可使内置充电电池连续使用18h以上，适合长期监测，也可根据设定的时间间隔振动加速度值，其使用灵活，大幅度减少了设备的维护时间，从而提高效率。
无线振动传感器可形成自组织、自恢复的多条传感器测量网络，支持点对点、星型、线型、树型等网络拓扑结构，同一网络可支持65536个传感器节点。采用TDMA（Time Division Multiple Access）基于时间同步的时分多址传输协议，时分多址传输协议将时间分割为周期性的帧（Frame），每个帧再分割为若干时隙向基准站发送信号，在满足定时及同步的条件下，基站可在每个时隙中接收来自每个移动终端的信号而不混淆，同时，基准站向多个移动终端发送的信号按顺序在预定的时隙中发送，只要每个移动终端在指定的时隙内接收到信号，就能在多路的信号中把发给它的信号区分开并接收下来。这种基于时间同步的时分多址传输协议，保证了数据的精确同步实时采集，同时也解决了测试系统中多种测量参数及多个测量点所带来的数据传输安全问题。
四、测试系统软件开发
直升机地面共振测试系统软件的开发是在二次开发无线振动传感器内置软件的基础上进行的，机上每个传感器收集的数据都被传输到广泛的第三方软件中进行后续处理，该软件界面友好、易于根据实际需要重新编程开发。因直升机结构复杂、测点多、测量范围广，在开发测试系统软件时，需要注意振动传感器采样率及实施有效数据传输速率的设置，抗混滤波器主要根据被测参数设置截止频率，并在选型时要有针对性。图2是测试系统软件的流程框图。
五、工程应用
该测试系统采用无线加速度传感器作为前端振动感应元件。经过系统集成、软件开发、地面联调及环境试验考核，结合某型直升机地面共振检测试验任务，按照“地面共振检测”的设计要求，进行了装机的实际应用。为了保证测试数据的有效性，降低测试风险，对测试传感器的布点、安装及系统设置进行了详细的论证与计算，试验取得了良好的效果，并达到了预期的目的。该测试系统的成功应用，为改进直升机“地面共振”的理论计算分析及完善提供了实测数据。该方法的研究应用可进一步提高直升机“地面共振”设计的质量及效率，对我国直升机“地面共振”设计、分析及试验具有一定的工程参考价值。
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论文作者:阎明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：直升机论文; 测试论文; 地面论文; 传感器论文; 系统论文; 信号论文; 机上论文; 《基层建设》2019年第25期论文;