1、440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，尤其是直升
2、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，使用安装在机体的机载磁带机进行采集记录
3、。（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法和应变电测法等进行
4、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
5、93 个。随后又完成了基于441UH-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
6、技术得到了国内外的关注。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
7、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。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
8、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。442图 1 被测试件 图 2 传统应变计测得的载荷_应变曲线图 3 光纤光栅测得的载荷_应变曲线 图 4 光纤光栅与传统电阻应变计测量平均值比较图 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
9、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
10、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拉伸应变（）载荷（N） 应变通道 1 应变通道 2 应变通道
11、 3 应变通道 4 光纤通道 1 光纤通道 2 光纤通道 3 光纤通道 4波长增量（nm）载荷（N） 应变计 光纤应变（）载荷（N）443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；一个多路传输的 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
12、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
13、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
14、，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。测量部分：6 个微型加速计；一个多路传输的 A/D 转换器；一个 8 位微控制器掌上型计算机串/并变换器 PCM 记录器机身系统PCM 位同步器旋翼系统红外数据链（IRDA）收发器扁平封装电池和脉码调制（PCM）格式器四股扁平电缆红外数据链（IRDA）收发器444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
15、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
16、性变形。4. 容易实现温度补偿。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. 有很高的可靠性和稳定性6. 复用性好
17、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445单 点 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
18、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 Mc Killip，Jr. A Noverl Instrumentation System for Measurement of Helicopter Rotor Motions and Loads Data. The American Helicopter Society 58th 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 58th Annual Forum 2002.
