УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДИКАЦИИ СРЫВА ПОТОКА И ФЛАТТЕРА И КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМАТА ПЕРЕКОСА ВЕРТОЛЕТА
DEVICE FOR INDICATION OF FLOW AND FLUTTER STALL AND CONTROL OF TECHNICAL CONDITION OF HELICOPTER SWASH PLATE

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам индикации об опасных режимах полета.
Из уровня техники известно устройство для индикации срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта вертолета и контроля технического состояния автомата перекоса вертолета (патент RU 2555258, опубл. 10.07.2015), содержащее волоконно-оптические тензодатчики, размещенные на поверхностях контролируемых невращающихся деталей автомата перекоса вертолета, подключаемые к волоконно-оптическому соединителю, соединенному с помощью волоконно-оптического кабеля с блоком-регистратором, к которому с помощью электрической шины передачи данных подключен размещенный в кабине летчика панельный индикатор срывных явлений.
К недостаткам указанного ближайшего аналога можно отнести сложность технического обслуживания вертолета, а также недостаточную надежность и точность обнаружения срыва потока.
По сравнению с прототипом заявленное устройство имеет ряд преимуществ:
- повышение ремонтопригодности системы и упрощение технического обслуживания контролируемых агрегатов вертолета за счет применения съемных волоконно-оптических тензодатчиков;
- повышение надежности и точности обнаружения срыва потока за счет использования цифровой фильтрации данных по нагрузкам, температурной компенсации показаний тензодатчиков и температурной стабилизации волоконно-оптических компонентов блока-регистратора;
- возможность обнаружения флаттера на лопастях несущего винта;
- возможность определения технического состояния деталей автомата перекоса в части уточнения их ресурса по зарегистрированным в процессе полета нагрузкам на невращающихся элементах автомата перекоса, измеренных в процессе полета с помощью волоконно-оптических тензодатчиков.
Задачей изобретения является создание устройства для индикации срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта вертолета и контроля технического состояния автомата перекоса вертолета, позволяющего получить вышеперечисленные преимущества.
Поставленная задача решается тем, что устройство для индикации срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта вертолета и контроля технического состояния автомата перекоса вертолета содержит волоконно-оптические тензодатчики, размещенные на поверхностях контролируемых невращающихся деталей автомата перекоса вертолета и позволяющие регистрировать деформацию и нагрузки на контролируемых деталях, подключенные с помощью волоконно-оптического соединителя и волоконно-оптического кабеля к блоку-регистратору, позволяющему в реальном времени анализировать сигналы от волоконно-оптических тензодатчиков для определения состояния срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта и уточнять техническое состояние деталей автомата перекоса, к которому с помощью электрической шины передачи данных подключен размещенный в кабине летчика панельный индикатор срывных явлений, позволяющий в режиме реального времени выдавать летчику сигналы о возникновении срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта, причем блок-регистратор содержит блок спектрального анализа, служащий для преобразования оптических сигналов от волоконно-оптических тензодатчиков в цифровые сигналы, блок источника света, служащий для опроса волоконно-оптических тензодатчиков, блок волоконно-оптической коммутации, служащий для подключения оптических линий, идущих от волоконно-оптических тензодатчиков к блоку источника света и блоку спектрального анализа, блок анализа информации, служащий для управления всеми компонентами блока-регистратора, цифровой обработки и анализа данных с волоконно-оптических тензодатчиков, блок хранения информации, служащий для хранения цифровых данных по нагрузкам, зарегистрированных устройством, блок выдачи сигналов, служащий для выдачи сигналов через электрическую шину передачи данных на панельный индикатор срывных явлений и в бортовое оборудование вертолета, блок электропитания, служащий для обеспечения питания всех компонентов блока-регистратора. Кроме того, устройство дополнительно содержит блок температурной стабилизации в блоке-регистраторе, служащий для обеспечения постоянной температуры на блоке источника света, блоке спектрального анализа и блоке волоконно-оптической коммутации, каждый волоконно-оптический тензодатчик содержит дополнительный волоконно-оптический чувствительный элемент, частично изолированный от деформаций и позволяющий проводить температурную компенсацию показаний указанного тензодатчика, при этом волоконно-оптические тензодатчики могут быть выполнены съемными и устанавливаться на указанных контролируемых деталях с помощью узлов крепления, являющихся частями указанных контролируемых деталей.
Устройство позволяет обнаруживать и сигнализировать летчику о возникновении срыва потока и флаттера на лопастях несущего винта вертолета, а также определять техническое состояние невращающихся элементов автомата перекоса вертолета в части уточнения ресурса деталей.
Основным техническим результатом является повышение надежности и точности обнаружения срыва потока за счет использования цифровой фильтрации данных по нагрузкам, температурной компенсации показанийтензодатчиков и температурной стабилизации волоконно-оптических компонентов блока-регистратора.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на фиг. 1 которого представлена схема установки устройства на вертолете, на фиг. 2 - схема блока-регистратора, на фиг. 3 - схема установки съемного волоконно-оптического тензодатчика на контролируемой детали вертолета, на фиг. 4 -эскиз волоконно-оптического тензодатчика, а на фиг. 5 - график нагрузки, регистрируемой в полете устройством.
Волоконно-оптические тензодатчики 1, устанавливаемые на невращающихся деталях автомата перекоса вертолета (например, рычаг общего шага, качалка продольного управления, качалка поперечного управления), служат для определения нагрузок, приходящих с лопастей несущего винта на невращающиеся детали автомата перекоса.
Волоконно-оптический соединитель 2, устанавливаемый в непосредственной близости от волоконно-оптических тензодатчиков 1, служит для подключения волоконно-оптических тензодатчиков 1.
Волоконно-оптический кабель 3 служит для передачи оптических сигналов от волоконно-оптических тензодатчиков 1 к блоку-регистратору 4.
Блок-регистратор 4, устанавливаемый в кабине вертолета, служит для опроса волоконно-оптических тензодатчиков, цифровой обработки данных и выдачи внешних сигналов по возникновению срыва потока на лопастях несущего винта. Схема блока-регистратора показана на фиг. 2.
Электрическая шина передачи данных 5, соединяющая блок-регистратор 4 и панельный индикатор срывных явлений 6, служит для передачи сигналов от блока-регистратора 4 на панельный индикатор 6, устанавливаемый на приборной панели в кабине летчика. Панельный индикатор 6 служит для сигнализации летчику о возникновении срыва потока на лопастях несущего винта.
Блок-регистратор 4 в свою очередь содержит следующие компоненты: блок волоконно-оптической коммутации 7, который служит для подключения оптических линий, идущих от волоконно-оптических тензодатчиков 1 к блоку источника света 8 и блоку спектрального анализа 12; блок источника света 8 служит для опроса волоконно-оптических тензодатчиков 1 и может содержать широкополосный источник света или перестраиваемый лазер; блок хранения информации 9 служит для хранения цифровых данных по нагрузкам, зарегистрированных устройством; блок электропитания 10, служит для обеспечения питания всех компонентов блока-регистратора; блок анализа информации 11 служит для управления всеми компонентами блока-регистратора, для цифровой обработки данных; блок спектрального анализа 12, служит для преобразования оптических сигналов от волоконно-оптических тензодатчиков 1 в цифровые сигналы и может содержать оптический спектрометр или фотоприемник с цифро-аналоговым преобразователем; блок выдачи сигналов 13 служит для выдачи сигналов через электрическую шину передачи данных на панельный индикатор срывных явлений 6 и в бортовое оборудование вертолета; блок температурной стабилизации 14 служит для обеспечения постоянной температуры на блоке источника света 8, блоке спектрального анализа 12 и блоке волоконно-оптической коммутации 7.
Описание принципа работы устройства
На определенных режимах полета на лопастях несущего винта вертолета могут возникать негативные явления срыв потока (нарушение обтекания лопастей набегающим воздушным потоком) и флаттер (самовозбуждающиеся упругие колебания лопасти), что приводит к возрастанию амплитуды колебаний нагрузок на лопастях. Колебания нагрузок на лопастях в свою очередь суммируются и передаются на автомат перекоса несущего винта вертолета, на невращающихся деталях которогоустановлены волоконно-оптические тензодатчики 1, позволяющие регистрировать данные суммарные нагрузки.
Волоконно-оптические тензодатчики 1 подключены к волоконно-оптическому соединителю 2, который соединен с блоком-регистратором 4 с помощью волоконно-оптического кабеля 3. К блоку-регистратору 4 с помощью электрической шины передачи данных 5 подключен устанавливаемый на приборной панели в кабине летчика панельный индикатор срывных явлений 6.
При подаче питания на блок электропитания 10 блока-регистратора 4 устройство включается для работы в непрерывном режиме. Блок температурной стабилизации 14 устанавливает и поддерживает постоянную температуру блоке источника света 8, блоке спектрального анализа 12 и на блоке волоконно-оптической коммутации 7. Волоконно-оптические тензодатчики 1 опрашиваются блоком источника света 8, отраженный сигнал от волоконно-оптических тензодатчиков 1 перенаправляется через блок волоконно-оптической коммутации 7 в блок спектрального анализа 12, который в свою очередь передает оцифрованные оптические сигналы в блок анализа информации 11. На блоке анализа информации 11 проводится цифровая обработка полученных сигналов, определяются деформации на волоконно-оптических тензодатчиках 1, проводится температурная компенсация показаний тензодатчиков, показания тензодатчиков переводятся в нагрузки, определяется амплитуда колебаний нагрузок на частотах флаттера и срыва потока на деталях автомата перекоса вертолета (на которых установлены волоконно-оптические тензодатчики), проводится сравнение полученных амплитуд с пороговыми значениями, проводится запись вычисленных величин в блок хранения информации 9 и отправляются сигналы через блок выдачи сигналов 3 на панельный индикатор 6. Блок анализа информации 11 также управляет блоком источника света 8, блоком температурной стабилизации 14, блоком спектрального анализа 12.
При возникновении признаков срыва потока или флаттера блок анализа информации 11 с помощью блока выдачи сигналов 13 передает через электрическую шину передачи данных 5 в панельный индикатор 6 соответствующий сигнал для предупреждения летчика об опасном режиме полета.
Зарегистрированные в процессе полета нагрузки на невращающихся элементах автомата перекоса, хранящиеся в блоке хранения информации 9 блока-регистратора 4, позволяют при наземной цифровой обработке на персональном компьютере определять техническое состояние деталей автомата перекоса в части уточнения их ресурса для дальнейшей эксплуатации вертолета.
Стабильная работа волоконно-оптических компонентов может быть обеспечена только при постоянной температуре. Так как вертолеты эксплуатируются в различных климатических зонах и к бортовым системам для вертолетов устанавливаются жесткие требования по диапазону рабочих температур, волоконно-оптические компоненты необходимо стабилизировать по температуре. Для этого в блоке-регистраторе 4 предусмотрен блок температурной стабилизации 14.
Волоконно-оптические тензодатчики 1 являются съемными, что обеспечивает возможность быстрой замены на борту вертолета и в целом упрощает обслуживание контролируемых агрегатов вертолета.
Для установки съемных волоконно-оптических тензодатчиков на контролируемой детали 15 вертолета (см. фиг. 3) должны быть обеспечены узлы крепления 16. Узлы крепления 16 могут быть либо частью контролируемой детали 15, либо крепятся на поверхности детали (например, с помощью клеевого или болтового соединения).
Волоконно-оптические тензодатчики 1 содержат в конструкции дополнительный волоконно-оптический чувствительный элемент - волоконно-оптический датчик температуры 17 (см. фиг. 4), частично изолированный от деформаций, позволяющий проводить температурнуюкомпенсацию показаний волоконно-оптического чувствительного элемента, воспринимающего деформацию (волоконно-оптического датчика деформации 18).
При вычитании показаний датчиков температурная составляющая деформаций сокращается, и результирующая деформация на детали содержит только составляющие деформации, зависящие от нагрузки:
ε результ. =(ε+εТ) - εТ=ε, где ε - составляющая деформаций, зависящая от нагрузки, при растяжении имеет положительную величину, при сжатии - отрицательную, (ε+ε Т) - деформация, регистрируемая волоконно-оптическим датчиком деформации, εТ - температурная составляющая деформаций, регистрируемая с помощью волоконно-оптического датчика температуры.
Полученная результирующая деформация, компенсированная по температуре, переводится в величину нагрузки. Таким образом, по изолированному чувствительному элементу - он изолирован от деформаций, возникающих под действием нагрузки (не закреплен в корпусе тензодатчика), но при этом воспринимает температуру и деформируется только от температурного расширения/сжатия. Его можно откалибровать (точнее градуировать его показания) для регистрации температурной составляющей, которую воспринимает основной деформационный чувствительный элемент от контролируемых деталей. При вычитании данной температурной составляющей из показаний деформационного датчика получаем только составляющую деформации, возникающую от внешних механических нагрузок на контролируемых деталях.
Для определения состояния срыва потока в режиме реального времени на блоке анализа информации 11 в блоке-регистраторе 4 формируется буфер временной реализации по последним зарегистрированным нагрузкам (см. фиг. 5) и с помощью преобразований Фурье и цифровой фильтрацииопределяется амплитуда колебаний нагрузки на частоте, характерной для срыва потока.
Затем проводится проверка на превышение пороговых значений амплитуды колебаний нагрузок на частоте срыва потока. При превышении пороговых значений блок анализа информации 11 с помощью блока выдачи сигналов 13 передает через электрическую шину передачи данных 5 в панельный индикатор 6 соответствующий сигнал для предупреждения летчика об опасном режиме полета.
Существует реальная возможность обнаружения возникновения флаттера на лопастях несущего винта во время полета с помощью цифровой обработки данных по нагрузкам (частотного анализа нагрузок) на деталях автомата перекоса, измеренных с помощью волоконно-оптических тензодатчиков. Цифровая обработка данных позволяет аналогичным образом обнаруживать возникновение флаттера на лопастях несущего винта. Признаки возникновения флаттера определяются по амплитуде колебаний нагрузок на частоте флаттера, специфичной для каждого типа вертолета, определяемой при летных испытаниях вертолета.
Зарегистрированные в процессе полета нагрузки на невращающихся элементах автомата перекоса позволяют при наземной цифровой обработке на персональном компьютере определять техническое состояние деталей автомата перекоса в части уточнения их ресурса для дальнейшей эксплуатации вертолета.