李波，马小伟，王君
哈尔滨飞机工业集团有限责任公司
摘要：直升机飞行操纵系统分为主旋翼操纵和航向操纵系统两大部分。目前国内直升机飞行操纵系统主要由拉杆、摇臂等组成的硬式操纵系统来完成。随着飞行参数记录仪在直升机上的普遍使用，直升机操纵过程中的操纵杆、脚蹬以及液压助力器作动筒的信号采集成为设计人员需要解决的一个问题。本文结合某型直升机的改装工作，探讨传感器在直升机飞行操纵系统中的应用。
关键词：直升机；飞行操纵系统；传感器
0.引言
航空工业是应用传感器最为广泛的领域之一。从发动机、机载各系统到它们的各类地面及空中试验无不使用大量的传感器。【1】传感器的定义时至今日在国内、国外尚无统一的规定。综合国内外传感器的定义可得到其广义定义为：“凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件和装置均可成为传感器”。【2】
1.直升机飞行操纵系统简介
飞行操纵系统用来操纵直升机，使直升机保持或改变飞行姿态。直升机飞行操纵系统分为主旋翼操纵和航向操纵系统两大部分。主旋翼操纵分为周期变距飞行操纵系统和总距飞行操纵系统。
周期变距飞行操纵：通过操纵周期变距杆改变旋翼桨叶的安装角，使旋翼锥体相对于机体向着周期变距杆运动的方向倾斜，改变旋翼的拉力方向，从而实现直升机的俯仰和横滚运动。前后移动周期变距操纵杆时，直升机实现俯仰运动，向前推驾驶杆，机头下俯；向后拉驾驶杆，机头上仰。当左右移动周期变距操纵杆时，直升机实现横滚运动，向左推驾驶杆，直升机向左滚转；向右推驾驶杆，直升机向右滚转。
总距飞行操纵：通过操纵总桨距杆来控制旋翼的总桨距，使旋翼各片桨叶的安装角同时增大或减小，从而改变旋翼拉力的大小，实现直升机的升降运动。提起总桨距杆，直升机上升；放下总桨距杆，直升机下降。
尾桨飞行操纵系统用来操纵尾桨的总桨距，以改变尾桨的推力大小，实现直升机的偏航操纵。左脚蹬向前，机身向左偏转；右脚蹬向前，机身向右偏转。 ?
伴随着对直升机飞行品质要求的不断提高，以及为保证飞行安全提供准确的数据和分析依据，用户提出了在直升机上安装飞行参数记录系统的要求。对于飞行操纵系统而言，飞行参数记录系统主要采集直升机总距杆位置、周期杆位置、脚蹬位置和液压助力器作动筒伸缩量的信号。
2.传感器的构成
传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源，通常可用框图1来表示【2】。
敏感元件——直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其它量（也可以包括电量）的元件。
转换元件——将敏感元件输出的非电量（如位移、应变、应力、光强等）转换为电学量（包括电路参数量、电压与电流等）。
测量电路——能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路，由于传感器输出的信号一般很弱，常需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等【2】。
3.传感器的安装方式
传感器与被测对象之间的安装方式对测量结果有重要影响，一般将被测对象分为固体和液体两种情况来研究。当被测对象是固体对象时，可把传感器直接安装在被测对象上，这种安装方法叫做接触型。当把传感器或敏感元件装在被测对象上面时，被测对象上就承载了某种新的负载，其结果就是被测对象的状态或特性不可避免地发生变化（即负荷效应），即使是位移传感器只是与被测对象机械地接触，情况也是如此。
如果负荷效应能得到解决，接触型传感器有如下优点：第一，由于传感器直接安装在被测对象上，可以把它看成被测对象的一部分，不易受到环境变动的影响，有利于直接获得与被测对象相应的输出信号；第二，一般传感器在使用之前必须进行标定，接触型传感器可使用与被测对象无关的标定方法与装置进行标定，标定后结果对不同的被测对象都可立即使用，无需再次现场标定【2】。
目前国内直升机飞行操纵主要由拉杆、摇臂等组成的硬式操纵系统来完成。飞行操纵系统中使用传感器时，被测量主要是通过采集摇臂的角位移量解算后得到的操纵杆的位置信号和液压助力器作动筒的伸缩量。
4.某型直升机改装过程中传感器的安装
直升机改装过程中，需要结合实际情况，确定适当的位置安装合适的传感器来达到采集相应位置信号的目的。
以改装的某型直升机为例，该型直升机飞行操纵系统中使用的传感器有两种：线位移传感器和角位移传感器。前者用于尾液压助力器作动筒伸缩量的测量，后者用于其它位置信号的测量。线位移传感器的安装见图1。安装时，要求保证航向操纵系统线系处在中立位置。
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1-尾液压助力器摇臂 2-传感器安装支架 3-线位移传感器
4-钢索 5-航向串联舵机组件
图1尾液压助力器作动筒传感器安装示意图
从图中可看出，航向串联舵机组件带动尾液压助力器摇臂转动，进而使尾液压助力器的作动筒伸缩量发生变化时，线位移传感器的钢索长度会发生相应变化，从而输出与长度变化量相对应的电压值信号。该信号会通过电气插头传送到飞行参数记录系统中，通过读取相关的数据，就能得知尾液压助力器作动筒位置。
角位移传感器在直升机上使用的位置较多，但其安装形式基本类似。图2为一典型的角位移传感器安装示意图。安装时要求相应的操纵线系处在中立位置，同时图中的摇臂3的轴线应与摇臂1的轴线平行。图中拉杆4的另一端连接在右前液压助力器上。角位移传感器2记录摇臂1的角位移变化，通过解算可得知右前液压助力器作动筒位置。当摇臂1转动带动拉杆4上下运动时，右前液压助力器作动筒的伸缩量会发生变化。此时并联在摇臂1上的摇臂3会带动角位移传感器转动，从而使角位移传感器输出一个与转动角度正相关的电压信号。该电压信号通过电气插头5传递到飞行参数记录系统中，通过相应的数据读取和解算工作，可知右前液压助力器作动筒的位置。
1-摇臂 2-角位移传感器 3-摇臂 4-拉杆 5-电气插头 6-主减平台
图2 角位移传感器的安装示意图
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5.改装工作中的一些思考
经过直升机的改装工作，飞行参数记录系统可以采集到飞行操纵系统中的一些重要信号。但在传感器安装中仍可看出一些不足之处，具体包括：
（1）受限于线位移传感器的量程，主液压助力器伸缩量变化的信号采集工作采用了角位移传感器。从图1和图2的对比可以明显看出，选择角位移传感器，其安装工作量明显大于线位移传感器安装的工作量。
（2）由于该型号角位移传感器量程较小，为能保证测量到摇臂的全行程转角，在传感器安装中，要保证角位移传感器的机械零位对准摇臂的中立位置。这也为改装工作增加了一定难度。
结束语
传感器作为自动控制系统的和信息系统的关键基础器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平。在直升机领域，伴随着电传操纵系统的兴起，传感器的作用也会越来越突出。
参考文献
【1】航空传感器实用手册. 中国航空工业总公司航空传感器实用手册编委会.北京：机械工业出版社，1955
【2】孙宝元，杨宝清，传感器及其应用手册，北京：机械工业出版社，2004