軍用直升機傳感器技術(shù)的應(yīng)用及趨勢

王小陽 張國強 趙琛

摘要：隨著軍用直升機飛行控制系統(tǒng)向著電傳飛控、光傳飛控發(fā)展，除了傳統(tǒng)的飛行狀態(tài)參數(shù)傳感器，電磁傳感器和光學(xué)傳感器也開始在軍用直升機上廣泛應(yīng)用。本文介紹了軍用直升機的各種功能傳感器特別是應(yīng)用于軍用直升機飛行控制系統(tǒng)上的主要傳感器，并總結(jié)分析了軍用直升機傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：軍用直升機；傳感器；發(fā)展趨勢

軍用直升機由于具備垂直起落、空中懸停和定點回轉(zhuǎn)等固定翼飛機所不具備的特性，在需要高機動性的低空作戰(zhàn)領(lǐng)域具有十分重要的作用。而各類傳感器為軍用直升機提供各類機內(nèi)機外參數(shù)，在直升機狀態(tài)監(jiān)測和飛行控制中至關(guān)重要。

1軍用直升機功能傳感器

軍用直升機的傳感器可以分為功能傳感器和飛控傳感器兩大類。功能傳感器主要是測量各種機體運行參數(shù)和飛行狀態(tài)參數(shù)，主要有壓力傳感器、溫度傳感器和其他傳感器。飛控傳感器主要用于增穩(wěn)裝置、自動駕駛儀或自動飛行控制系統(tǒng)，主要用來獲取駕駛員的指令輸出，檢測直升機舵機的運行狀態(tài)。

1.1壓力傳感器

壓力是重要的流體力學(xué)參數(shù)，與直升機飛行有關(guān)的流體主要有燃油、液壓油、空氣、滑油等，壓力的測量涉及發(fā)動機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、大氣航姿基準(zhǔn)系統(tǒng)等多項系統(tǒng)。因此在所有直升機傳感器中，壓力傳感器使用量最大。

發(fā)動機扭矩傳感器屬于一種壓力傳感器，通過發(fā)動機內(nèi)的工作滑油在線測量扭矩壓力，從而轉(zhuǎn)換得到扭矩進(jìn)而實現(xiàn)對發(fā)動機功率的監(jiān)測。

發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中有工作滑油，為發(fā)動機和傳動系統(tǒng)各個部件提供潤滑和冷卻，滑油壓力傳感器用于測量工作滑油的壓力，常常安裝在滑油流經(jīng)的管路或者滑油腔內(nèi)部。

燃油壓力傳感器通常安裝在燃油流經(jīng)的管路上，常和燃油流量傳感器搭配使用，為燃油系統(tǒng)工作壓力和流量的穩(wěn)定提供監(jiān)控保障。

直升機的液壓系統(tǒng)是直升機控制作動的主要保障，液壓傳感器用于測量液壓系統(tǒng)內(nèi)液壓油的工作壓力。液壓傳感器安裝在液壓油流經(jīng)的管路或液壓油腔內(nèi)部。

氣壓傳感器用于測量直升機外界環(huán)境的大氣壓力和壓力變化。其中靜壓傳感器獲取的數(shù)據(jù)可以經(jīng)處理得到直升機的飛行高度信息，空速傳感器通過測量外部氣流的總壓與靜壓之差可以獲得直升機相對大氣的運動速度。

環(huán)控系統(tǒng)壓力傳感器是指測量封閉座艙內(nèi)的環(huán)境壓力，該傳感器為環(huán)控系統(tǒng)執(zhí)行其它預(yù)定功能提供依據(jù)。

1.2溫度傳感器

溫度是另一項重要的物性參數(shù)，與直升機飛行有關(guān)的溫度參數(shù)主要涉及發(fā)動機系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。

發(fā)動機排氣溫度傳感器安裝在發(fā)動機的渦輪和尾噴處，用于測量這些位置的排氣溫度，從而實現(xiàn)對發(fā)動機工作狀態(tài)的在線檢測。

滑油溫度傳感器安裝在滑油流經(jīng)的管路或者滑油腔內(nèi)部，用于檢測工作滑油的溫度，避免滑油過熱。

氣溫傳感器，氣溫傳感器包括測量外界大氣溫度的傳感器，測量座艙內(nèi)溫度的座艙溫度傳感器，此外還有測量貨艙、行李艙、電子設(shè)備艙內(nèi)溫度的傳感器。氣溫傳感器不僅為保證座艙氣溫舒適提供依據(jù)，還監(jiān)控機內(nèi)各艙是否發(fā)生超溫起火事故。

火警探測器主要安裝于發(fā)動機和輔助動力系統(tǒng)，用于測量動力裝置的工作溫度，發(fā)動機和輔助動力裝置艙內(nèi)是否失火。

1.3其他傳感器

為了實現(xiàn)軍用直升機對除壓力和溫度之外的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，直升機還裝備有大量的傳感器。例如磁航向傳感器可以指示直升機當(dāng)前航向相對地磁北極的偏角，常和慣導(dǎo)系統(tǒng)配套使用。轉(zhuǎn)速傳感器主要用于發(fā)動機和旋翼系統(tǒng)，旋翼轉(zhuǎn)速傳感器，用于監(jiān)控主旋翼軸的最大和最小轉(zhuǎn)速，并提供報警功能。發(fā)動機用的轉(zhuǎn)速傳感器用于監(jiān)控發(fā)動機燃?xì)鉁u輪的轉(zhuǎn)速和自由渦輪的轉(zhuǎn)速。液位傳感器主要用于燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，以便監(jiān)控燃料余量以及滑油箱和液壓油箱的液位。載荷傳感器通常安裝在右橫向線系伺服機構(gòu)上，會在直升機達(dá)到它的可操縱極限時及時反饋給飛行員。角位移傳感器安裝在武器掛架上，用于測量掛架角度位置信號以便于武器發(fā)射。流量傳感器實時監(jiān)測流經(jīng)燃油輸送管道的燃油流量，實現(xiàn)對耗油率的測量。

1.4軍用直升機功能傳感器的發(fā)展趨勢

經(jīng)過技術(shù)迭代和發(fā)展，軍用直升機功能傳感器主要朝著微型化、高精度以及高可靠方向發(fā)展。以壓力傳感器和溫度傳感器為例，傳統(tǒng)的壓力傳感器多采用膜盒式壓力傳感器，膜盒式結(jié)構(gòu)的壓力傳感器機械部件較多，使其工作可靠性和穩(wěn)定性較低，體積較大，同時精度不高，使用壽命短。隨著直升機技術(shù)的更新?lián)Q代，直升機的構(gòu)成和使用環(huán)境越來越復(fù)雜，對機載測試設(shè)備的技術(shù)要求與日俱增，傳統(tǒng)的膜盒式壓力傳感器很難適應(yīng)新型直升機機載測試的要求。目前直升機的壓力傳感器正在大量應(yīng)用壓阻式傳感器，壓阻式傳感器的原理為單晶硅壓阻效應(yīng)，即在硅受到壓力作用時，其電阻率隨之發(fā)生變化。壓阻式傳感器將單晶硅膜片和電阻條采用集成電路工藝制作為一體式硅壓阻芯片，然后將此芯片封裝在傳感器外殼中，具有很高的集成度和可靠性，相比膜盒式壓力傳感器縮小了體積。壓阻式傳感器還具有精度高、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、便于批產(chǎn)的特點。壓阻式傳感器的這些優(yōu)點使其在軍用直升機技術(shù)更新迭代時被越來越多的應(yīng)用。

在溫度傳感器的選擇上，也經(jīng)歷了由熱電偶式溫度傳感器發(fā)展為熱電阻式溫度傳感器的過程。傳統(tǒng)軍用直升機大量裝備熱電偶式溫度傳感器，熱電偶式溫度傳感器測溫范圍寬，測量準(zhǔn)確方便，但也存在測溫靈敏度不高，容易受到外界信號干擾，也容易受到前置放大器溫漂的影響，因此較難跟蹤微小的溫度變化。目前直升機的溫度傳感器正在大量應(yīng)用熱電阻式傳感器，特別是精度較高的Pt電阻溫度傳感器。Pt電阻溫度傳感器除了溫度精度較高的優(yōu)點，還具有長期穩(wěn)定性較好，抗氧化與抗時效誤差效果好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于中低溫區(qū)的溫度測量。

可以看到，目前軍用直升機功能傳感器的發(fā)展趨勢大致有以下幾個方向：（1）微型化，航空傳感器的微型化可以帶來諸多好處，減小了體積和重量，功耗降低，安裝方便對周圍器件影響較小。（2）集成化，傳感器多采用集成封裝的形式，提高了可靠性和易用性。（3）數(shù)字智能化，以利于信號的統(tǒng)一傳輸處理，同時實現(xiàn)故障自診斷、故障隔離等功能，提高整個測試系統(tǒng)的動態(tài)特性和整體性能。

2軍用直升機飛控傳感器

從直升機誕生以來，其駕駛操縱和飛行控制歷經(jīng)了機械操縱、機械操縱加裝增穩(wěn)裝置或自動駕駛儀、電傳飛行控制系統(tǒng)等多個階段，并正在向著光傳飛行控制系統(tǒng)發(fā)展。軍用直升機飛控傳感器主要是位移傳感器，主要安裝在駕駛桿、腳蹬和直升機舵機等位置，分別用來測量駕駛員操作指令和舵機當(dāng)前的作動位置。隨著軍用直升機飛行控制系統(tǒng)由增穩(wěn)控制到電傳飛控到光傳飛控的發(fā)展，軍用直升機位移傳感器也由電磁傳感器向光學(xué)傳感器發(fā)展。

2.1電磁式位移傳感器

第一代軍用直升機的特征為以小功率活塞式發(fā)動機提供動力，同時操縱采用傳統(tǒng)機械桿系操縱系統(tǒng)，代表機型為米-4和貝爾-47。飛行員通過對總距桿、腳蹬、周期變距桿、拉桿等操縱部件實現(xiàn)對直升機飛行姿態(tài)的控制。從二十世紀(jì)四、五十年代開始，直升機開始采用渦軸發(fā)動機同時在操縱方面開始裝備控制增穩(wěn)系統(tǒng)，如美國的H-13、UH-1、S-58和法國的“云雀”等。六十年代到七十年代初的直升機，大多采用模擬式自動駕駛儀，如美國的AH-1G、S-61、貝爾-214和法國的“超黃蜂”“海豚”等。七十年代中期到八十年代的直升機，大多采用數(shù)字式自動飛行控制系統(tǒng)，如美國的貝爾-412、CH-47D、S-70、AH-64和法國的“超美洲豹”、英國的EH-101等。軍用直升機從開始裝備控制增穩(wěn)系統(tǒng)開始，就開始用到位移傳感器，目前直升機上應(yīng)用最廣泛的位移傳感器為電磁式位移傳感器。電磁式位移傳感器主要安裝于總距桿、腳蹬、周期變距桿等處，稱為駕駛員傳感器。同時在直升機舵機中也裝有電磁式位移傳感器，用以監(jiān)測駕駛員操作指令的執(zhí)行情況。

電磁式位移傳感器多采用差動結(jié)構(gòu)，因此電磁式位移傳感器又稱為差動式位移傳感器，分為線位移傳感器和角位移傳感器?，F(xiàn)以線位移傳感器為例說明其原理，差動式線位移傳感器，實際上是一個交流變壓器，有激磁繞組和輸出繞組兩個繞組，激磁繞組流過交變電流后，在繞組空間產(chǎn)生交變磁場。因為激磁和輸出之間存在互感，所以在輸出繞組中感應(yīng)出一個與動鐵心直線位移成比例的電信號。輸出繞組兩個線圈是反接的，頭接頭或尾接尾，因此，當(dāng)動鐵心在兩個輸出線圈中間時，兩個輸出線圈的感應(yīng)電壓互相抵消。如果動鐵心向一個方向移動，輸出電壓與動鐵心的直線位移成比例增加；如果動鐵心從中位向另一個方向移動，輸出電壓仍然與動鐵心的直線位移成比例增加，但相位相反。

電磁式位移傳感器有以下的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，整個結(jié)構(gòu)沒有活動電觸點，因此工作穩(wěn)定可靠、壽命長，尤其適合應(yīng)用在航空領(lǐng)域。（2）靈敏度和分辨率較高，應(yīng)用于軍用直升機的電磁式位移傳感器最高能測出微米級別的位移變化。傳感器的輸出信號強，一般每毫米的位移可對應(yīng)數(shù)百毫伏的輸出。（3）線性度和可重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍內(nèi)，電磁式位移傳感器的非線性誤差可以達(dá)到0.1%量級，并且復(fù)現(xiàn)性很好。

但是電磁式位移傳感器也有一定的不足，其頻率響應(yīng)較低，不適宜用于快速動態(tài)監(jiān)控場合。同時相對于更先進(jìn)的光學(xué)位移傳感器，電磁式位移傳感器精度不夠高。最重要的是，電磁式位移傳感器由于其原理和構(gòu)造，在信號測量和傳輸過程中，容易受外界電磁干擾造成誤差，對于低空飛行的軍用直升機更是如此。

2.2光學(xué)位移傳感器

從六、七十年代以來，直升機先進(jìn)飛行控制系統(tǒng)的研究得到西方各國的高度重視，并向電傳和光傳飛行控制的方向發(fā)展。美國先后進(jìn)行了“戰(zhàn)術(shù)飛機制導(dǎo)系統(tǒng)”（TAGS）、“重型運輸直升機”（HLH）、“先進(jìn)數(shù)字/光傳控制系統(tǒng)”（ADOCS）等項目研究計劃。軍用直升機低空、低速、前沿縱深使用的作戰(zhàn)環(huán)境使之較其他飛機更易遭受電磁干擾、核輻射等的影響。因此，在直升機上發(fā)展光傳飛控系統(tǒng)也較其他飛機更為迫切。實際上，國外光傳飛控系統(tǒng)也首先是在直升機上發(fā)展并使用的。實現(xiàn)光傳飛控系統(tǒng)首先要研制開發(fā)用于直升機光傳飛控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要包括光背板計算機、光學(xué)位移傳感器、具備光接口的通用接口適配計算機等，光位移傳感器用于采集駕駛員周期桿、總距桿和腳蹬的操縱位移，具有十分重要的作用。

光學(xué)位移傳感器一般是變柵距光柵位移傳感器或稱波長編碼光位移傳感器，變柵距光柵位移傳感器是一種以波長為輸出信號特征的光位移傳感器，它利用變柵距光柵的帶通濾波功能，通過測算輸出光中心波長來解算位移。變柵距光柵是變柵距光柵位移傳感器的核心部件，具有理想光柵的光位移傳感器輸出的波長與傳感器的位移成正比。

光位移傳感器與傳統(tǒng)的電磁式位移傳感器相比，首先大幅度改善了位移傳感器的抗干擾性能。其次進(jìn)一步小型化、輕量化，更易于與其他零部件配套。同時光位移傳感器提高了精度和靈敏性，受外界條件影響較小，可以在較惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行，尤其工作溫度范圍較傳統(tǒng)傳感器大為拓寬。光位移傳感器具有十分樂觀可期的應(yīng)用前景，但是在應(yīng)用推廣過程中也存在一些問題，比如數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理過程中耗費時間較長，難以滿足飛機控制系統(tǒng)要求的100Hz以上的響應(yīng)頻率，同時光位移傳感器在光源穩(wěn)定性上也存在一定問題，最后還存在工藝誤差和測試誤差非線性難以補償?shù)膯栴}。這些問題在目前都限制著軍用直升機尤其是我國軍用直升機大規(guī)模應(yīng)用光位移傳感器。

2.3軍用直升機飛行控制傳感器的發(fā)展趨勢

直升機光傳飛控系統(tǒng)在國外已經(jīng)經(jīng)過了三十多年的研究和發(fā)展，1984年，第一套數(shù)字式光傳飛控系統(tǒng)在UH-60A直升機上進(jìn)行了成功的試飛。2002年1月，歐洲直升機公司裝有光傳飛行控制系統(tǒng)的一架EC-135直升機進(jìn)行了首飛，目前已完成取證試飛。光傳飛行控制技術(shù)是繼電傳飛控技術(shù)后的又一技術(shù)跨越，其本質(zhì)在于實現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的“光化”，既繼承了電傳技術(shù)的系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，又在對抗惡劣電磁環(huán)境、提高信息化和智能化等方面取得重大進(jìn)步，從而大大改善了飛機的操縱品質(zhì)，提高了飛行控制系統(tǒng)的可靠性、生存性。

我國的直升機光傳飛控系統(tǒng)研究晚于西方發(fā)達(dá)國家近二十年，通過研究和技術(shù)沉淀，在光傳飛控系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)上均有一定的技術(shù)積累，為光傳飛控系統(tǒng)的工程化實現(xiàn)打下了一定基礎(chǔ)。但是對于適用于惡劣環(huán)境下的機載光學(xué)傳感器、光總線、光背板計算機，以及適用于光傳系統(tǒng)的作動器等方面還需要進(jìn)行更深入的研究。目前我國還不能實現(xiàn)直升機光傳飛控系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。

雖然我國距離直升機光傳飛控系統(tǒng)的工程化應(yīng)用還有一段距離，但是在光學(xué)傳感器方面的技術(shù)成熟度高于整個光傳飛控系統(tǒng)的成熟度，除了用于飛控系統(tǒng)的光位移傳感器已經(jīng)得到了試飛驗證，國內(nèi)還能夠生產(chǎn)多種類型的狀態(tài)傳感器，例如光學(xué)電流傳感器和光學(xué)壓力傳感器等。針對現(xiàn)代軍事裝備高可靠性、高性能的要求，及空間電磁環(huán)境日益惡劣的現(xiàn)狀，采用光傳操縱系統(tǒng)代替或部分代替電傳操縱系統(tǒng)將是飛機飛行操縱系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，更是國防軍事設(shè)備的廣泛需求。相信隨著我國國防科技工業(yè)的進(jìn)步，各種光學(xué)傳感器將逐漸替代老式傳感器，成為軍用直升機“千里眼、順風(fēng)耳、聽診器”。

（作者簡介：王小陽，工程碩士，高級工程師，飛行控制；張國強，研究生/碩士，高級工程師，飛行控制；趙琛，工學(xué)碩士，助理工程師，機械工程）

（工作單位：陸裝航空軍代局駐西安地區(qū)航空軍代室）