Устройство для индикации срыва потока на лопастях несущего винта вертолета
DEVICE FOR INDICATING STALL IN HELICOPTER ROTOR BLADES

Изобретение относится к области авиации, а именно к системе контроля технического состояния деталей и узлов конструкций вертолета.
Известно устройство для определения срыва воздушного потока с аэродинамической поверхности (а.с. №1172203, МПК B64D/02, приоритет 13.03.84), которое содержит датчик - чувствительный элемент, выполненный в виде нанесенных на немагнитную подложку клиновидного токопроводящего основания, изоляционной пленки, ферромагнитной пленки и изоляционной пленки с контактами, соединенными группами между собой, и регистратором, генератор переменного напряжения, генератор тока, прямоугольную пластину из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением и транзистор, при этом чувствительный элемент датчика нанесен на прямоугольную металлическую пластину из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, которая размещена параллельно хорде аэродинамической поверхности от ее задней кромки до точки максимальной толщины профиля.
Недостатком устройства является конструктивная сложность, что усложняет процесс съема сигналов датчиков срыва воздушного потока с лопастей вертолета, низкая вероятность обнаружения момента срыва потока с лопастей вертолета.
Наиболее близким аналогом является «Устройство для индикации срыва потока на лопастях несущего винта вертолета», патент №2555258, МПК B64D 43/02, В64С 27/46. Устройство содержит волоконно-оптические датчики, размещенные на неподвижной части автомата перекоса вертолета (на качалке продольного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета, на качалке поперечного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета, на рычаге общего шага установки лопастей вертолета); волоконно-оптический соединитель, предназначенный для суммирования сигналов волоконно-оптических датчиков, волоконно-оптический кабель для передачи оптических сигналов от волоконно-оптического соединителя до блока-регистратора, электрическую шину передачи данных о стадии срыва потока на панельный блок индикации стадий срыва потока, блок волоконно-оптической коммутации, предназначенный для последовательной коммутации отраженных сигналов от волоконно-оптических датчиков на блок спектрального анализа, блок источника света, предназначенный для формирования широкополосного лазерного излучения и подачи этих сигналов через блок коммутации в направлении волоконно-оптических датчиков, блок хранения информации, предназначенный для долговременного хранения информации о механических нагрузках, действующих на невращающихся деталях автомата перекоса, блок электропитания, предназначенный для питания блока-регистратора, блок анализа информации, предназначенный для преобразования сигналов блока спектрального анализа в цифровой код, блок спектрального анализа, предназначенный для преобразования статических и динамических механических изменений напряжений автомата перекоса в изменении длины отраженной от волоконно-оптических датчиков оптической волны, цифроаналоговый преобразователь, предназначенный для преобразования цифрового кода сигналов блока анализа информации в аналоговый сигнал.
Недостатком прототипа является относительно небольшая вероятность обнаружения момента срыва потока с лопастей вертолета, так как измерение механических нагрузок на невращающихся деталях автомата перекоса вертолета приводит к интегрированию парциальных нагрузок на лопастях, как следствие, к их усреднению по времени, что в свою очередь снижает точность измерения.
Технической задачей изобретения является повышение вероятности обнаружения момента срыва потока с лопастей вертолета за счет введения дополнительного признака - гармоники частоты вращения несущих лопастей вертолета.
Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности полета за счет повышения вероятности обнаружения срыва потока при одновременном использовании двух признаков: измерения механических напряжений на автомате перекоса и амплитуды напряжения гармоники сигнала частоты вращения несущих лопастей вертолета.
Технический результат достигается тем, что устройство для индикации срыва потока на лопастях вертолета, содержащее не менее двух волоконно-оптических датчиков с оптическим входом-выходом, каждый из которых имеет свою полосу рабочих частот в спектре излучения блока источника света, которые жестко закреплены на поверхностях невращающихся деталей автомата перекоса вертолета, таких как качалка продольного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета, качалка поперечного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета, рычаг управления общим шагом установки лопастей вертолета, волоконно-оптический соединитель, волоконно-оптический кабель, электрическую шину передачи данных о стадии срыва потока, панельный индикатор стадий срыва потока, блок-регистратор, включающий в себя блок волоконно-оптической коммутации, блок источника света, блок хранения информации, блок спектрального анализа, цифроаналоговый преобразователь, блок анализа информации, блок электропитания, перестраиваемый полосовой фильтр, первое пороговое устройство, второе пороговое устройство, схема «И», фильтр нижних частот, при этом волоконно-оптические датчики с оптическим входом-выходом через волоконно-оптический соединитель и волоконно-оптический кабель соединены с входом-выходом блока волоконно-оптической коммутации, выход блока волоконно-оптической коммутации соединен с первым входом блока спектрального анализа, выход блока спектрального анализа соединен с первым входом блока анализа информации, второй выход блока анализа информации соединен с третьим входом блока спектрального анализа, третий выход блока спектрального анализа соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя, вход блока волоконно-оптической коммутации соединен с первым выходом блока источника света, второй вход которого соединен с первым выходом блока анализа информации, второй выход блока источника света соединен со вторым входом блока анализа информации, третий вход которого соединен с выходом блока хранения информации, первый вход блока хранения информации соединен с четвертым выходом блока анализа информации, второй вход блока хранения информации соединен с первым выходом блока электропитания, седьмой выход которого соединен с первым входом блока источника света, второй выход блока электропитания соединен с четвертым выходом блока анализа информации, пятый выход блока электропитания соединен  со вторым входом цифроаналогового преобразователя, четвертый выход блока электропитания соединен со вторым входом блока спектрального анализа, отличающий тем, что с целью повышения вероятности обнаружения срыва потока в него введены перестраиваемый полосовой фильтр, первое пороговое устройство, второе пороговое устройство, схема «И», фильтр нижних частот, при этом выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом фильтра нижних частот и входом перестраиваемого полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого соединен с первым входом первого порогового устройства, выход которого соединен со вторым входом схемы «И», а выход которой выходит на электрическую шину передачи данных, выход второго порогового устройства соединен с первым входом схемы «И», третий выход блока электропитания соединен со вторым входом второго порогового устройства, шестой выход блока электропитания соединен со вторым входом первого порогового устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема соединения блока регистратора с общим устройством для индикации срыва потока, на фиг. 2 представлена приведена структурная схема размещения волоконно-оптических датчиков на невращающихся деталях автомата перекоса, на фиг. 3 функциональная блок-схема регистратора.
1. блок волоконно-оптической коммутации;
2. блок источника света;
3. блок хранения информации;
4. блок электропитания;
5. блок анализа информации;
6. блок спектрального анализа;
7. цифроаналоговый преобразователь сигнала;
8. перестраиваемый полосовой фильтр;
9. первое пороговое устройство;
10. схема «И»;
11. второе пороговое устройство;
12. фильтр нижних частот;
13. блок-регистратор;
14. панельный индикатор стадии срыва потока;
15. автомат перекоса;
16. волоконно-оптический кабель;
17. электрическая шина передачи данных;
18. волоконно-оптические датчики;
19. качалка продольного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета;
20. качалка поперечного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета;
21. рычаг общего шага установки лопастей вертолета;
22. волоконно-оптический соединитель.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для индикации срыва потока, состоящая из автомата перекоса (15), волоконно-оптического кабеля (16), блока регистратора (13), электрической шины передачи данных (17), панельного индикатора стадии срыва потока (14), при этом автомат перекоса соединен через волоконно-оптический кабель (16) с о входом блока регистратора (13), выход которого через электрическую щину данных соединен с панельным индикатором (14).
На фиг. 2 приведена схема механизма автомата перекоса, состоящая из волоконно-оптического кабеля (15), волоконно-оптического датчика (18), качалки продольного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета (19), качалки поперечного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета (20), рычага общего шага установки лопастей вертолета (21), волоконно-оптического соединителя (22) при этом с волоконно-оптических датчиков (18), расположенных на качалке продольного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета (19), качалке поперечного управления циклическим шагом установки лопастей вертолета (20), рычаге общего шага установки лопастей вертолета (21), сигналы подаются на волоконно-оптический соединитель (22), а с него на вход блока регистратора через волоконно-оптический кабель (16).
На фиг. 3 приведена структурная схема блок-регистратора, состоящая из блока волоконно-оптической коммутации (1), блока источника света (2), блока хранения информации (3), блока электропитания (4), блока анализа информации (5), блока спектрального анализа (6), цифроаналогового преобразователя (7), перестраиваемого полосового фильтра (8), первого порогового устройства (9), схемы «И» (10), второго порогового устройства (11), фильтра нижних частот (12) при этом вход-выход блока волоконно-оптической коммутации (1) связан с волоконно-оптическим кабелем (16), его выход связан с первым входом блока спектрального анализа (6), вход блока волоконно-оптической коммутации (1) соединен с первым выходом блока источника света (2), второй вход блока источника света соединен с первым выходом блока анализа информации (5), второй выход блока источника света (2) соединен со вторым входом блока анализа информации (5), первый вход блока источника света (2) соединен с седьмым выходом блока электропитания (4), второй выход блока анализа информации (5) соединен с третьим входом блока спектрального анализа (6), первый вход блока анализа информации (5) соединен с выходом блока спектрального анализа (6), второй вход блока спектрального анализа (6) соединен с четвертым выходом блока электропитания (4), третий выход блока анализа информации (5) соединен с первым входом цифроаналогового преобразователя (7), выход которого соединен с входом фильтра нижних частот (12) и входом перестраиваемого полосового фильтра (8), выход фильтра нижних частот (12) соединен с первым входом второго порогового устройства (11), выход перестраиваемого полосового фильтра (8) соединен с первым входом первого порогового устройства (9), выход первого порогового устройства (9) соединен со вторым входом схемы «И» (10), а выход схемы «И» (10) соединен с электрической шиной передачи данных (17), второй вход первого порогового устройства (9) соединен с шестым выходом блока электропитания (4), выход второго порогового устройства (11) соединен с первым входом схемы «И» (10), пятый выход блока электропитания (4) соединен со вторым входом цифроаналогового преобразователя (7), третий выход блока электропитания (4) соединен со вторым входом второго порогового устройства (11), второй выход блока электропитания (4) соединен с четвертым входом блока анализа информации (3), первый выход блока электропитания (4) соединен со вторым входом блока хранения информации (3), выход блока хранения информации (3) соединен с третьим входом блока анализа информации (5), четвертый выход блока анализа информации (5) соединен с первым входом блока хранения информации (3).
На режимах полета вследствие периодического изменения условий обтекания лопастей, срыв потока происходит на отступающей лопасти, что в свою очередь приводит к возникновению закручивающих лопасть нагрузок и возникновения вибраций. Основная частота изменения нагрузки лопастей равна частоте прохождения лопастей, что соответствует периоду T=2π/Nω, где N-количество несущих лопастей вертолета (У. Джонсон. Теория вертолета. Том 2. Перевод с английского В.Э. Баскакина, С.Ю. Есаулова, B.C. Каплунова. М. Мир.1983 г.).
Таким образом, при режиме работы вертолета без срыва потока на лопастях наибольшей амплитудой обладает колебание с частотой вибрации ω-угловой скоростью вращения оси несущего винта. При наступлении явления срыва потока происходит существенное увеличение амплитуды колебания с частотой прохождения лопастей Nω, поскольку через каждый угол перемещения каждой лопасти на величину  одна из лопастей, которая является отступающей по ходу движения вертолета, входит в процесс срыва потока.
Применение двух признаков для обнаружения момента появления срыва потока дает существенное повышение вероятности обнаружения этого явления. Поскольку события А появления избыточного механического напряжения на невращающихся частях автомата перекоса и событие В появление N-й гармоники частоты вращения ω лопастей вертолета при случае срыва потока являются совместными (появляются одновременно), то для вероятности совместного события справедлива формула (В.Т. Горяинов, А.Г. Журавлев, В.И. Тихонов. Статистическая радиотехника. Примеры и задачи: Сов. радио. 1980):
Р(А+В)=Р(А)+Р(В)-Р(А, В),
1
если вероятность обнаружения срыва потока при использовании признака избыточного механического напряжения на невращающихся частях автомата перекоса равна P=0,8.
2
Вероятность обнаружения срыва потока при использовании признака появления N-й гармоники частоты вращения лопастей вертолета равна Р=0,8, то результирующая вероятность обнаружения явления срыва потока при использовании двух признаков составит
1.2
Р=0,8+0,8-0,8*0,8=0,94,
1.2
1
1.2
2
то есть P>P и P>Р.
Таким образом, применение двух признаков позволяет существенно повысить вероятность определения момента срыва потока, что существенно повышает безопасность полетов вертолетов.
Перестраиваемый полосовой фильтр (8) предназначен для выделения сигнала N-й гармоники частоты вращения несущих лопастей с выхода цифроаналогового преобразователя (7) при возникновении явления срыва потока. Перестраиваемый полосовой фильтр (8) настраивается на фиксированную частоту N-й гармоники частоты вращения несущего винта вертолета ω, которая возникает на стадии срыва потока. Первое пороговое устройство (9) предназначено для выдачи сигнала «1» на вход схемы «И» (10) при превышении на его входе амплитуды N-й гармоники при возникновении явления срыва потока. Второе пороговое устройство (11) предназначено для выдачи сигнала «1» при превышении избыточного механического напряжения на невращающихся частях автомата перекоса наперед заданного порога. Схема «И» (10) предназначена для выдачи сигнала «1» на электрическую шину передачи данных при совпадении двух признаков явления срыва потока на ее входе.
Устройство работает следующим образом.
Включают блок электропитания (4), при этом электропитание подается на блоки 2, 3, 5, 6, 7, 9, 11.
Блок источника света (2) генерирует оптическое излучение, которое через блок волоконно-оптической коммутации (1), волоконно-оптический кабель и волоконно-оптический соединитель (22) поступает на входы-выходы тензодатчиков, отражается от тензодатчиков и через волоконно-оптический соединитель (22), волоконно-оптический кабель (17), возвращается в блок волоконно-оптической коммутации (1) и через его оптический вход поступает на оптический вход блока спектрального анализа (6).
При воздействии внешних механических нагрузок на части вертолета с тензодатчиками изменяется спектр отраженного от них оптического излучения. Изменение спектра отраженного излучения несет информацию о механических нагрузках, которые испытывают части вертолета, на которых установлены волоконно-оптические датчики, причем каждому волоконно-оптическому датчику соответствует определенная полоса спектра излучения блока источника света (2). Сигналы всех волоконно-оптических датчиков по мощности суммируются в волоконно-оптическом соединителе (22) и передаются через волоконно-оптический кабель (16). В блоке спектрального анализа (6) спектры отражения оптического излучения от каждого тензодатчика преобразуются в цифровой сигнал и поступают и на первый вход блока анализа информации (5), где сигнал анализируется путем пересчета изменений спектра оптического сигнала от каждого тензодатчика в действующий на деталях автомата перекоса нагрузку по заранее известным зависимостям, полученным при тарировке тензодатчиков, преобразуется в цифровой электрический сигнал и передается блоку ЦАП (7). При частоте опроса волоконно-оптических датчиков не менее 2 Nω, помимо снятия квазистатических механических напряжений в частях вертолета с тензодатчиками появляется возможность выделения Nω-й частоты вибраций лопастей вертолета, возникающей при явлении срыва потока. Поэтому, на выходе блока ЦАП (7) помимо относительно низкочастотной составляющей, характеризующей изменение механической нагрузки, будет присутствовать сигнал с частотой Nω, характеризующий появление N-й гармоники частоты вращения несущих лопастей вертолета. Аналоговый электрический сигнал, несущий информацию о механических нагрузках контролируемых частей вертолета, с выхода ЦАП (7) поступает на фильтр низких частот (12), а с его выхода на вход второго порогового устройства (11), в котором установлен порог напряжения, соответствующий максимально допустимой механической нагрузке. В случае превышения заданного порога на выходе второго порогового устройства (11) появляется «единица», которая поступает на первый вход схемы «И» (10).
С выхода ЦАП (7) сигнал поступает и на вход перестраиваемого полосового фильтра (8), предварительно настраиваемого на N-ю гармонику частоты вращения несущих винтов. В зависимости от количества несущих винтов вертолета N и частоты вращения несущих лопастей происходит настройка перестраиваемого полосового фильтра (8) под конкретный тип вертолета. С выхода перестраиваемого полосового фильтра (8) сигнал поступает на первый вход первого порогового устройства (9), в котором установлен порог напряжения, соответствующий превышению уровня N-й гармоники над шумами. В случае превышения заданного порога на выходе первого порогового устройства (9) появляется «единица», которая поступает на первый вход схемы «И» (10). При одновременном наличии «единиц» на входе схемы «И» (10) на ее выходе появляется сигнал «единица», поступающий на электрическую шину передачи данных и далее на панельный индикатор стадии срыва потока (14). Наличие «единицы» на панельном индикаторе стадии срыва потока (14) предупреждает пилота о наличии явления срыва потока. Сигнал «ноль» сигнализирует о нормальном режиме полета. Совместное использование двух признаков явления срыва потока существенно повышает вероятность обнаружения этого явления и, соответственно, снижает вероятность ложной тревоги.
Полученные данные о нагрузках на частях автомата перекоса вертолета с выхода блока анализа информации (5) передаются на блок хранения информации (3) для последующего анализа правильности действий пилота вертолета.