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航空螺旋桨载荷测试系统设计探究

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《航空科学技术》2017年第1期

摘要:为了实现某型航空螺旋桨试飞过程中桨叶的载荷测量,设计一套遥测系统来实现桨叶应变信号传输。针对被试对象的特殊结构,介绍了遥测系统的工作原理,并对测试所需的遥测盘、接收天线静子支架和电源系统的结构设计过程进行了阐述,所设计遥测系统结构合理可行,满足工作需求,为后续螺旋桨载荷测量试飞提供了技术保障。

关键词:航空螺旋桨载荷测量飞行试验遥测系统结构设计

0引言

由于螺旋桨技术带来的低耗油性、高效率性,且随着新材料技术的不断发展,使得航空螺旋桨技术得到很好的发展,促使螺旋桨新技术不断在军用无人机、运输机、支线客机、公务机等各领域得到了很好的应用。随着飞机和发动机技术指标不断提高,螺旋桨拉/推力也不断提高,螺旋桨所受载荷也随之增加,对螺旋桨桨叶、桨轴等零部件的强度要求也逐渐苛刻,因此,寻求螺旋桨强度、寿命设计的合理性,已成为螺旋桨设计领域极度关心的问题。螺旋桨载荷测量是随着螺旋桨飞机的飞行而产生,是螺旋桨设计,螺旋桨寿命、可靠性评估以及螺旋桨飞机飞行稳定性的重要依据。我国GJB243《航空燃气涡轮动力装置飞行试验要求》和民运航空适航条例CCAR25部明确规定,需对螺旋桨振动应力和1P力矩载荷进行测量试验。因此,在飞行试验中对螺旋桨载荷测量具有重要意义。螺旋桨属于旋转件,其载荷测量的难点主要是桨叶应变信号的传输。为了桨叶应变信号的传输,必须设计定制一套遥测系统来实现。针对某型螺旋桨的测试特点,本文介绍了螺旋桨载荷测量的测试原理,并依据测试原理设计了一套遥测系统用于螺旋桨试飞中桨叶信号的传输。遥测系统的设计是一个复杂过程,结构必须满足测试要求,同时避免与发动机和螺旋桨结构发生干涉。遥测系统的设计主要包括遥测盘设计、接收天线静子支架设计、电源系统设计。

1遥测系统工作原理

被试螺旋桨由3片桨叶组成,主要测试参数为桨叶动应变、静应变和1P载荷,均匀分布在3片桨叶上。螺旋桨载荷测量采用无线电近距遥测系统实现桨叶应变信号传输。遥测系统主要由旋转部分和静子部分组成,旋转部分主要包括发射机、发射天线等,静子部分主要包括接收天线、机载接收机和数据采集器等。桨叶上的应变信号通过线缆进入遥测盘的发射机模块,发射机将应变信号调理放大后,转换为数字信号,通过发射天线发射;接收机和发射机成对工作在预设的频率点上,接收射频信号并进行解调输出,接收机输出模拟信号,作为记录器的输入;也可通过局域网进入主控计算机,进行数据记录和监视。接收机输出的模拟信号直接进入专用记录器,进行全程采集记录。

2遥测系统结构设计

根据被试对象的结构特点及遥测系统的工作原理,定制设计遥测系统的结构。遥测系统结构设计主要包括遥测盘设计、接收天线静子支架设计、电源系统设计。

2.1遥测盘设计

遥测盘是遥测系统的最主要部分,用来集成安装遥测系统旋转部分所用的各种模块及电路板。遥测盘设计主要考虑两个方面:螺旋桨的结构和遥测盘所需集成的模块。由于被试螺旋桨尺寸小,结构紧凑,只能考虑将原桨帽安装盘(钣金件)拆除并替换为遥测盘,根据原桨帽安装盘的安装方式、空间大小以及遥测系统的要求设计遥测盘。图2(a)中,内外区域为遥测盘与螺旋桨的装配接口,在遥测盘的设计中必须保留原桨帽安装盘的安装接口;中间区域为与桨毂、桨叶相邻区域,容易发生干涉,不具有可设计性;只有3个扇面区域不存在干涉,可设计集成模块的安装槽;圆环区域沿轴向空间较大,可设计集成电路板的安装槽和发射天线槽。由于原桨帽安装盘为硬铝钣金件,为了保证遥测系统旋转部分电子元器件的集成空间,在设计遥测盘的过程中,必须对原桨帽安装盘一些较薄区域适当加厚以提升强度和刚度。按照以上思路,利用CATIA软件进行了遥测盘模型设计,并经过与螺旋桨设计方的多次协调,形成了遥测盘的设计方案。发射机和电池模块采用扇形槽安装,并成中心对称、周向均匀分布,安装槽的根部采用大圆角过渡以减弱应力集中效应;在圆周外围设计了一个圆环凸台,供动平衡试验去材料。在盘的背面,设计了内、外两个环形槽,内环为发射天线槽,外环为集成电路安装槽。

2.2接收天线静子支架

为了实现桨叶应变信号的遥测传输,需要在与遥测盘正对的发动机后端加装设计遥测系统的静子支架来安装接收天线。根据发动机的安装接口和遥测盘的结构布局设计静子天线支架。为了方便安装,接收天线主要由A、B两部分组成,如图4,A部分主要用于支架固定,B部分主要用于安装接收天线,两部分采用两个螺栓连接。A部分由于受发动机螺栓杆长度约束,设计较薄,因此,为了保证接收天线的强度可靠,A部分采用45#钢材料,B部分采用7075铝合金材料,其材料参数见文献。B部分设计有接收天线安装槽,通过两个螺钉将接收天线板固定,中间为接收天线引线孔,通过引线将接收信号输入到设备舱内的接收机。

2.3电源系统

为了给遥测盘上的发射机供电,需要设计专门的电源系统,本文采用电池供电方式。选用3块电池构成1个电池包,通过2个直流/直流稳压分流模块给两个发射机模块同时供电,室温下可连续工作5个小时。在遥测盘设计时预留有3个电池安装槽,考虑平衡,3个电池安装槽在遥测盘上均布。所设计电池安装槽预留了电池正负极引线孔和走线槽,引线孔和走线槽大小根据所用线缆直径大小设计。为了防止电池轴向晃动,利用绝缘盖板将电池压紧,盖板利用两个螺钉固定。

3系统验证

对所设计遥测系统结构件进行了模拟装配和台架试装,如图7所示。装配结果表明:结构设计合理可行、无干涉,转、静子天线之间的实际台架装配距离为4.3mm,满足遥测系统近距无线传输的要求(≤5mm)。并对所设计遥测系统进行了电路板和零部件集成。经实验室调试表明,所设计遥测系统功能满足要求,工作性能可靠,满足某型航空螺旋桨载荷测量试飞的要求,调试及集成过程此处不再赘述。

4总结

本文介绍了某型航空螺旋桨载荷测量遥测系统所需的遥测盘、接收天线静子支架和电源系统的设计思路和方法,经试装和集成调试,所设计遥测系统结构合理可行,功能满足工作要求,为后续装机试飞提供了可靠的技术保障。

参考文献

[1]钟伯文,乔志德.螺旋桨性能计算的升力线与升力面方法[J].推进技术,1994,15(5):41-47.

[2]陈泽民,潘杰元.桨叶表面压力分布和螺旋桨性能的升力面算法[J].航空动力学报,1993,8(4):333-336.

[3]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[4]屈玉池,李珊红,苑茂林,等.螺旋桨桨叶1P气动载荷研究[J].飞行力学,1999,17(4):91-96.

[5]张永峰,张强,任瑞冬.螺旋桨1P载荷飞行试验桨轴测试研究[J].飞行力学,2011,29(6):84-88.

作者:郭海东;牛宏伟;张永峰;张强 单位:中国飞行试验研究院

航空科学技术杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次