航空发动机矢量喷管无线测控系统设计_杨禹成.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-09-02 基金项目:江西自然科学基金项目（20201BBE51002）；江西省研究生创新专项基金项目（YC2021-S685）；南昌航空大学研究生创新专项基金项目（YC2021-060）作者简介:杨禹成（1998），男，湖南怀化，硕士研究生，主要研究方向为航空发动机测控系统设计，。通信作者:卢洪义（1965），男，山东烟台，博士，教授，主要研究方向为飞行器动力系统设计、测试与故障诊断，。引文格式:杨禹成，卢洪义，桑豆豆，等.航空发动机矢量喷管无线测控系统设计J.实验技术与管理,2023,40(2):140-144.Cite this article:YANG Y C,LU H Y,SANG D D,et al.Design of wireless network control system for aero-engine vector nozzleJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):140-144.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.023 航空发动机矢量喷管无线测控系统设计 杨禹成，卢洪义，桑豆豆，刘 舜，章 斌（南昌航空大学 飞行器工程学院，江西 南昌 330063）摘 要：针对航空发动机矢量喷管与系统电子控制器之间的连线、接口易出现电气故障，导致系统的稳定性、可扩展性差等问题，提出了一种航空发动机矢量喷管无线测控系统方案，并设计了无线传感测量系统和上位机软件。无线传输模块与单片机之间采用 SPI 通信，解决了传输速率受波特率限制问题，对通信速率和丢包问题进行实验验证，结果表明传输速率由 11.4 kb/s 提高到 675.5 kb/s，连续通信 2 h 不丢包、不多包。关键词：航空发动机矢量喷管；无线通信；通信速率；无线传感测量系统 中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0140-05 Design of wireless network control system for aero-engine vector nozzle YANG Yucheng,LU Hongyi,SANG Doudou,LIU Shun,ZHANG Bin(School of Aircraft Engineering,NanChang HangKong University,Nanchang 330063,China)Abstract:Aiming at the problems such as electrical faults easily occurring in the wiring and interface between the vector nozzle and the electronic controller of the system,which lead to the poor stability and scalability of the system,a scheme of wireless measurement and control system for the vector nozzle of the aeroengine is put forward,and the wireless sensor measurement system and upper computer software are designed.The SPI communication between the wireless transmission module and the single-chip computer solves the problem that the transmission rate is limited by the baud rate.The experiment verifies the communication rate and packet loss,the result shows that the transmission rate is increased from 11.4 kb/s to 675.5 kb/s,and the continuous communication lasts for 2 h without losing or multi-packages.Key words:aero-engine vector nozzle;wireless communication;communication rate;wireless sensor measurement system 推力矢量是航空领域的关键技术，推力矢量技术能有效提升飞机机动性和敏捷性，提高短距离起落能力，从而提升飞机的作战效能和生存能力1-3。矢量喷管复杂的信号采集系统、作动系统和控制系统会增加喷管与系统电子控制器之间的接线与接口，而尾喷管振动容易导致连接器与电缆出现机械和电气故障，影响系统的稳定性、通用性和可扩展性，无线通信技术可以有效解决上述问题。国外已经开展了无线网络在航空领域应用的研究，如：美国航天局（NASA）认为使用无线无源传感器技术（PWST）代替有线连接方案，可以减少电缆和连接器，使整个飞行器的生命周期受益4；文献5分析了航空航天器上普及无线无源传感器网络的新需求和应用；文献6基于无线网络提出了航空发动机软件定义控制系统（SDCS），此系统无需核心处理器，主要由控制平台和支撑平台组成，控制平台中 杨禹成，等：航空发动机矢量喷管无线测控系统设计 141 的每个节点都具有计算、存储和无线通信的能力；文献7描述了基于无线传感器网络的飞机结构健康监测系统。无线网络在航空领域的应用将提升航空发动机测控系统的灵活性和稳定性，但目前国内对于无线网络在航空领域的研究较少。无线网络相比有线连接，其灵活性进一步提高，并解决了由大量电缆和接口所导致的重量、布线等问题，可以对高速旋转状态的部件进行准确的参数测量。无线网络在航空发动机上的应用是未来航空领域的发展方向，本文提出了航空发动机矢量尾喷管无线网络控制方案，并设计了无线传感测量系统，以期为无线网络在航空领域的应用研究提供参考。1 航空发动机尾喷管控制系统设计 航空发动机轴对称矢量喷管（AVEN）在液压作动筒的驱动下绕轴线摆动，实现俯仰、偏航、滚转，从而改变发动机输出推力的大小和方向8。AVEN 基本机构图如图 1 所示，A7 为喷管进口截面，面积是固定的；A8 为喷管的喉道截面，主要控制发动机主机的工作状态9；A9 为喷管的出口截面，其偏转的角度g决定了发动机矢量力的大小和偏转方向10-11，A7A8、A8A9 分别构成了喷管的收敛段、扩张段。图 1 AVEN 基本机构图 矢量尾喷管的主要性能参数包括流量系数dC和推力系数thC，计算公式分别为 mdm,iqCq=（1）thiFCF=（2）式中，mq、m,iq分别为流过尾喷管的实际质量流量和理想质量流量；F、iF分别为实际推力和理想推力。m,iq和iF可以由以下两个等熵流动方程确定：77Hm,i87pkqAp fRTp=|（3）当7H112kkpkp-+|时，7H12(1)21kkpfpk+-=|+；当7Hpp 112kkk-+|时，777HHH11211kkkkpppfpkpp+-|=-|-|。根据式（3），当喷管出口压力9P不等于外界大气压力HP时，得到航空发动机推力iF为 7H1im,i799H21()1kkpkFqRTA PPkp-|=-+-|-|（4）式中，k 为气体绝热指数；8A为尾喷管喉部截面面积；9A为喷管的出口截面面积；7P、7T分别为喷管进口的总压力和总温度；9P为喷管出口的总压力；R 为气体常数；HP为外界大气压力。从式（4）中可以得出：推力系数取决尾喷管喉部截面积和喷管出口面积，因此系统电子控制器主要通过电液伺服阀控制尾喷管喉部截面积、喷管出口面积和喷管偏转角度g，改变推力的大小和方向。本文设计的航空发动机矢量喷管无线测控系统结构框架如图 2 所示：系统电子控制器通过无线网络接收由无线智能传感器发送的喷管进口压力和温度等参数；系统电子控制器向矢量喷管控制器发送控制命令，控制电液伺服阀和液压作动筒等实现具体的操作，同时接收线性位移传感器（LVDT）的反馈信号，形成闭环控制。图 2 系统总体结构框架图 142 实 验 技 术 与 管 理 2 无线通信方案设计 2.1 无线通信技术分析 表 1 列出了 ZigBee、蓝牙（BLE）和 Wi-Fi 等 3种无线通信技术的特性与主要应用：ZigBee 是基于IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议，其特点是速度低、功耗低、成本低、复杂度低12-13，使用 868 MHz和 915 MHz 频段，常用于智能家居中的无线控制和监测应用场景；BLE 是一种短距离的无线通信技术，起止频率分别为 2.402 GHz 和 2.480 GHz14-15，常用于医疗和健身设备、智能照明系统、实时定位系统和室内导航应用；Wi-Fi 是 WLAN 的一个标准，也称为802.11 b 标准，其覆盖范围相可达 100 m 左右，传输速率最高可达 54 Mb/s，Wi-Fi 主要用于大文件传输和带宽较高的数据传输应用。由表 1 可知，Wi-Fi 技术传输速率快、相互干扰的几率低、覆盖范围广，因此选择 Wi-Fi 作为本系统的无线通信技术。表 1 无线通信技术特性 理论最大速度值/(Mbs1)相互干扰几率 覆盖范围/m 主要应用 领域 无线标准 Wi-Fi 54 较低 25100 大文件传输 IEEE 802.11ZigBee 0.25 较低 10100 智能家居 IEEE 802.15.4BLE 1 一般 10100 医疗设备 IEEE 805.15.1 2.2 Wi-Fi 模块配置 Wi-Fi 模块选择 ESP8266 芯片，该芯片性能稳定、低功耗、价格便宜。ESP8266 可以配置 STA、AP 和AP+STA 等 3 种模式：STA 模式是将模块作为客户端接入网络或者热点，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程监控或者控制；AP 模式是将模块作为热点，构建一个局域网，允许其他设备接入，用于实现局域网内各设备的相互通信。系统电子控制器的 Wi-Fi 模块设置为 AP 模式，矢量尾喷管的 Wi-Fi 模块设置为 STA 模式，接入系统电子控制器 Wi-Fi 模块构建的局域网以实现通信。在无线传输网络中可以通过 AT 指令或者软件对该网络进行加密，提高网络的安全性。为配制 Wi-Fi 模块和更直观地观察数据参数变化，用 C#语言编写了上位机软件，该软件可以自动检测端口号并显示波形。上位机软件的配置功能如图 3所示：重启芯片后出现一段乱码，发送命令“AT”测试 ESP8266 通信是否成功，自动返回 OK 代表通信连接成功；“AT+UART=115 200,8,1,0,0”指令代表波特率修改为 115 200 bit/s；“AT+CWMODE=1”指令是将该模块配置为 STA 模式。图 3 上位机界面图 2.3 通信速率分析 无线传输模块 ESP8266 与 CPU 常用的连接方式是串口连接，但串口通信受到波特率的限制。SPI 是一种高速、全双工、同步的通信总线16-17，可以通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制主设备4 种不同的通信模式。本文采用单片机的 I/O 接口模拟 SPI 时钟信号，通过软件控制其电平输出，从而产生通信起始和停止信号。将一块 ESP8266 芯片与单片机 STM32f103 分别通过串口