某型直升机油门控制系统研究_张青竹.pdf

2023.04 科学技术创新某型直升机油门控制系统研究张青竹，张德平（哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨）引言现代常规直升机，在给定飞行状态下一般将旋翼控制在恒定转速。直升机旋翼转速恒定是发动机操纵系统的主要控制目标之一。以安装涡轴发动机的某型直升机为例，发动机自由涡轮与直升机旋翼机械连接，通过油门控制系统调节油门开度来调节燃气涡轮转速，以保证发动机的输出功率与需用功率相匹配，使直升机旋翼在恒定的转速下工作。样例直升机采用电调发动机控制，EECU 通过感受总距位置信号的变化，基于预调值快速调整发动机油门开度，来实现对整机需用功率变化的迅速响应。能否确立高精度的总距-油门基准关系曲线来快速、准确的得到预调值，是设计直升机油门控制系统的关键问题。对于样例直升机的油门控制系统一直没有开展过相关的理论计算和分析研究，设计经验几乎空白。国内对于直升机油门控制系统的设计经验也处于初步摸索阶段，相关研究资料很少。本文基于样例直升机飞行动力学仿真模型，计算在不同飞行状态和环境条件下的需用功率、油耗率和总距位置，确立总距-油门基准关系曲线，相比于文献1和文献2提出的方法，计算状态更加全面、分析方法更加准确。通过与试飞数据的对比，验证本文确立的总距-油门基准关系曲线是精确、可信的，为样例直升机的油门控系统设计提供了理论基础。1旋翼转速控简介1.1传统机械控制传统的机械控制的发动机系统，如图 1 所示，通过总距-油门联动实现预操纵来减少调速器的反应时间、改善加速性。总距-油门联动同时还对静下垂进行补偿。静下垂是自由涡轮涡轴发动机上调节形式的一种特性，当总距增加时，也就是当燃气发生器的转速增加时，自由涡轮转速有一个微小的减少量，静下垂值直接依赖于弹簧力，承载的弹簧比非承载弹簧有更小的转速减少量。总距-油门联动在桨距增加时使自由涡轮转速有一个微小的增加量，从事实现静下垂补偿3。图 1传统机械控制旋翼转速示意1.2EECU 控制直升机在飞行状态下，发动机控制系统自动控制作者简介：张青竹（1990-），男，本科，工程师，研究方向：直升机气动。摘要：某型直升机安装的发动机采用电调控制，EECU 通过感受总距位置信号的变化，快速调整发动机油门开度，来实现对整机需用功率变化的迅速响应。本研究基于飞行动力学仿真模型，计算在不同高度、温度、重量条件下，直升机悬停、平飞、爬升时的需用功率、油耗率和总距位置，确立总距-油门关系基准曲线。通过与试飞数据的对比，验证了本文的研究方法，为该型直升机油门控制系统设计提供理论基础。关键词：直升机；旋翼转速；功率匹配；总距-油门曲线中图分类号：V275+.1文献标识码：A文章编号：2096-4390（2023）04-0217-04217-科学技术创新 2023.04自由涡轮转速，使之在整个飞行包线内保持一致4。无论旋翼负载如何变化，EECU 都会通过调整燃油流量，控制自由涡轮转速，保持它尽可能与旋翼转速额定值保持一致。为了使发动机快速响应，基本的动力涡轮转速直接由总距位置驱动。当总距变化时，EECU 位置传感器感受总距杆位置信号，确定基本的动力涡轮转速理论值，这种功能称为预调。EECU 基于预调值通过控制油门开度确定燃油流量，允许一个初始的燃气发生器转速来平衡功率共给和功率需求关系，从而保持旋翼转速为一个常数。预调器对载荷的变化立即提供一个信号，能够减少控制系统探测时间，从而实现对整机需用功率变化的迅速响应，见图 2。EECU 会时时监测动力涡轮转速，并与额定值比较；如果转速低，EECU 会增加燃油流量数据，如果转速高，则会降低燃油流量，最终使旋翼转速控制在额定值。图 2EECU 控制旋翼转速示意2计算模型简介基于 FLIGHTLAB 软件建立单旋翼带尾桨直升机飞行动力学仿真计算模型。旋翼系统为 4 片刚性桨叶，桨叶翼型应用风洞试验得到的不同马赫数及迎角下的翼型气动特性数据表。采用 6 状态动力入流模型计算旋翼诱导速度。机体为刚体，应用无动力风洞试验得到的不同迎角和侧滑角下的气动特性数据表。尾桨系统为简单的尾桨计算模型。3研究方法控制发动机油门开度的主要目的是实现直升机需用功率与发动机输出功率的匹配。直升机需用功率主要受整机重量、飞行状态、环境温度、气压高度等因素的影响。计算样例直升机在不同重量、环境温度、压力高度条件下的悬停、平飞、爬升和下滑时的需用功率、油耗率和总距位置，这些计算状态能够基本涵盖样例直升机飞行包线内的常规飞行任务。再根据油耗率与油门开度的关系式可得到每一状态下总距位置对应的油门开度。但由于环境温度与压力高度对发动机油耗率影响较大，会造成油门开度计算结果的规律性很差，见图 3。因此引入换算油门开度的概念，即换算油门开度=实际油门开度/密度比可得到规律性较好的关系曲线，见图 4。最后，将悬停、前飞、爬升/下滑飞行状态下的计算结果整合，通过拟合建立总距与换算油门开度的基准关系曲线。图 3悬停状态下总距-实际油门开度4计算结果4.1悬停计算海平面 ISA 和 5000ft 高度 ISA、ISA+20条件下，最小重量至最大起飞重量时的悬停需用功率、油耗率和总距位置，得到悬停状态下总距与换算油门开度的关系，见图 4。4.2无侧滑平飞计算大、中、小三种重量在海平面 ISA 和 5000ft高度 ISA、ISA+20条件下，40kt 至最大可用功率时的前飞需用功率、油耗率和总距位置，得到无侧滑平飞218-2023.04 科学技术创新状态下总距与换算油门开度的关系，见图 5。4.3以 VY 速度爬升/下滑计算大、中、小三种重量在海平面 ISA 和 5000ft高度 ISA、ISA+20条件下，以最佳爬升速度 VY 爬升/下滑时的需用功率、油耗率和总距位置，得到爬升/下滑状态下总距与换算油门开度的关系，见图 6。4.4以 45kt 速度爬升/下滑计算大、中、小三种重量在海平面 ISA 和 5000ft高度 ISA、ISA+20条件下，以空速 45kt 爬升/下滑时的需用功率、油耗率和总距位置，得到爬升/下滑状态下总距与换算油门开度的关系，见图 7。对于样例直升机，45kt 是具有代表性的 VTOSS 速度，计算该速度下的爬升/下滑状态可以较好地反映出直升机起飞/着陆时对油门开度的需求。图 745kt 爬升/下滑状态下总距-换算油门开度5分析与验证整合所有计算结果，可以看到虽然不同飞行状态下的计算结果之间具有一定程度的离散性，但总体呈二次曲线形式，见图 8。将计算结果二次拟合，得到总距-换算油门开度关系曲线。图 9 为拟合曲线与试飞图 4悬停状态下总距-换算油门开度图 5无侧滑平飞状态下总距-换算油门开度图 6VY爬升/下滑状态下总距-换算油门开度图 8计算结果拟合曲线219-科学技术创新 2023.04Research on Throttle Control System of aHelicopterZhang Qingzhu，Zhang Deping（Harbin Aircraft Industry Group Co.,Ltd.,Harbin,China）Abstract：The engine installed in a helicopter adopts electric control.EECU can quickly adjust theengine throttle opening by sensing the change of the total distance position signal to realize the rapidresponse to the required power of the helicopter.Based on the flight dynamics simulation model,this papercalculates the required power,fuel consumption rate and total position of the helicopter during hover,levelflight and climbing/slipping under different altitude,temperature and weight conditions,and finally establishesa reference curve of collective-throttle relationship.By comparing with the flight test data,the researchmethod of this paper is verified,which provides a theoretical basis for the design of throttle control system ofthe helicopter.Key words：helicopter;rotor speed;power matching;collective-throttle curve数据的对比结果。对比结果表明，对于样例直升机的不同飞行状态，拟合曲线均有较高的精度。6结论本文基于样例直升机的仿真计算结果，建立总距-油门基准关系曲线。与试飞数据的对比结果表明该关系曲线具有较高精度，证明本文的研究方法准确、可信。在研制样例直升机油门控制系统时，可以根据总距-油门基准关系曲线设计控制律，结合总距位置信号、大气机输出的环境参数和自由涡轮转速，可以准确、快速地调整油门开度，大大降低系统调节时间，从而使发动机输出功率与需用功率匹配，维持旋翼转速不变。参考文献1王青松.某型直升机机械油门操作系统的计算分析J.中国科技信息，2018（14）：22-24.2杨波，王青松，刘芳,等.某型直升机旋翼超转问题研究J.直升机技术，2016(2):35-39.3蔡永辉.直九机操纵系统与油门互联J.应用技术，2012(73):179-182.4李昊晗,檀清杰,修杰辰.直升机双通道电调发动机控制系统研究A.见：第八届民用飞机航电国际论坛C.北京：航空工业出版社，2019：58-63.图 9试飞数据对比结果220-