民用直升機總距桿雙余度桿釋放按鈕開關信號采集的一種改良設計

張聰輝

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

在部分裝備了并聯舵機的民用直升機上的總距桿手柄和駕駛桿手柄會有桿釋放按鈕，英文標識一般為“Trim Release”。該按鈕是在接通直升機自動駕駛功能之后才可以使用的[1]，按下該按鈕對應的并聯舵機便解除錨定狀態，桿力減小，允許飛行員對直升機姿態進行比較大的改變，在新的飛行姿態松開該按鈕之后并聯舵機會錨定在新的狀態同時桿力加大此時飛行員無法對飛行姿態進行大的調整[2]。這個按鈕在飛行中使用頻次很高，也是關乎飛行安全至關重要的一個按鈕。

在某型中型通用民用直升機試驗試飛過程中，由于總距桿上的桿釋放按鈕不能很好完成功能導致自動飛行控制系統頻繁報故，嚴重影響了飛行員的操縱過程和體驗，原因在于該按鈕的雙余度開關信號可能因為飛行員按壓力度較小導致無法同時接通，2個信號不同步導致自動飛控系統觸發保護機制。基于上述現象本文對該按鈕雙余度開關信號提出了一種設計改進思路。

1.故障原因以及改良設計目標

1.1 故障原因研判

飛行員經常反饋按壓總距桿手柄上的桿釋放按鈕之后自動飛行控制系統會出現警告信息，同時伴有總距桿桿力變大的情況，此時飛行員難以再進行對直升機姿態的更改動作，必須通過飛控系統的復位功能來重新操縱直升機，而且該現象出現的頻次很高，一個架次的飛行中往往會出現十幾次，嚴重影響了飛行員的操作，飛行員對如此高頻次的報故表示難以接受。

在分析后臺數據時發現，桿釋放按鈕按下之后總距并聯舵機并沒有解除錨定狀態，桿釋放按鈕的功能沒有完成，后臺數據還顯示桿釋放按鈕按下之后觸發了自動飛控系統的一個安全保護程序，自動飛控系統判定此時桿釋放按鈕失效并且鎖定了總距并聯舵機，因此飛行員會感覺桿力變大而且無法對直升機進行大的姿態調整[3]。再結合總距桿手柄桿釋放按鈕的電路模型，可以初步研判出該故障的原因。

如圖1所示，該總距桿手柄的桿釋放按鈕為雙余度設計，但是開關信號類似“串聯”只有上下兩個開關全部接通之后桿釋放信號才會輸出到自動飛控系統，如果飛行員按壓力度比較小只有一個開關信號接通另一個開關信號處于“接觸不良”的狀態如圖2所示，自動飛控系統會判定此時桿釋放按鈕故障并且觸發保護機制鎖定總距并聯舵機，系統報故邏輯可以參考圖3的邏輯梳理。

圖1 雙余度設計的桿釋放按鈕

圖2 只有一個開關接通的情況

圖3 故障邏輯梳理

1.2 改良設計目標

要提高飛行員的操縱體驗和安全性就要盡量減少不必要的系統報故，要減少報故次數就要在飛控系統和硬件層次兩方面研究。在該型民用直升機的設計理念中，安全性處在比較高的位置[4]，如果該按鈕兩個開關不能同時接通，設計人員會優先認為按鈕存在機械故障或者其他部件相關存在硬件故障，此時要保證直升機狀態穩定不能有較大的姿態改變，因此要鎖定總距并聯舵機將姿態錨定[5]。基于此設計理念，不能將這兩個開關改成“并聯”模式，即只要有一路開關信號接通就執行桿釋放功能。同時改良設計要盡可能簡單高效，不能因為改良設計導致按鈕機械故障時飛控系統無法報故，盡量在原有手柄按鍵和控制系統進行少量改動降低成本，改良設計的體積也要小。

2.雙余度桿釋放按鈕開關信號的改良設計思路

在進一步的分析中發現，開關“接觸不良”的狀態時電路有時并非完全沒有電流只是電流比較微弱，此時的微弱電流無法達到開關信號的閾值。因此可以將開關信號中的電流放大進而使減少兩個開關信號不同步的概率進而減小“接觸不良”狀態對于飛行員操作的影響。

如圖4所示，在2個開關之后分別加裝單獨的放大模塊和限幅模塊，放大模塊的目的是放大電路中的電流信號，如果某一個開關電路中存在“接觸不良”的現象，放大模塊就可以按預設的比例放大電路中的電流，使該電路電流滿足閾值要求，放大倍數可以設置為10～20倍。為了保證電路中電流不過大，在放大模塊之后加裝限幅模塊，將電路中電流限制在合理范圍之內，保證電路安全，限幅值可以設置在正負0.5A。

圖4 加裝放大電路和限幅電路的改良設計

放大模塊和限幅模塊可以采用基本的運算放大器芯片實現，加裝成本低而且高效可靠，也無需對自動飛控系統軟件做調整。如果開關電路中存在機械故障改良之后的電路同樣可以保證不會輸出，可以保證飛行安全。

3.模擬仿真

在實際飛行中，飛行員表示按壓桿釋放按鈕報故的概率大約在20%。本文通過參數設計將原始開關電路的報故率設置為20%附近，通過100次的模擬按壓輸入檢驗改良設計的效果。

如圖5所示，上方為改良電路，下方為原始電路，開關信號電流閾值設置為0.3，只有兩路開關信號的電流均大于等于0.3時，電路輸出高電平表示此時手柄按鍵正常按下功能實現。反之則輸出低電平，表示此時自動飛控系統接收到不同步的開關信號，將會觸發報故程序。

圖5 仿真原理圖

如圖6所示，原始開關信號電路，圖示共計100次按壓，共有80次正常輸出20次報故，報故率20%，接近真實飛行情況。

圖6 原始開關電路輸出結果

圖7所示為加裝放大模塊以及限幅模塊之后開關電路的輸出結果，可以看到100次的按壓試驗中只有5次報故，報故率降低至5%，相比原始20%的報故率降低了75%的報故概率，比較好的改善了由于開關電路輸出信號不一致導致的系統報故。

圖7 改良之后開關電路輸出結果

4.結論

在民用直升機領域安全性通常是優先級最高的注意事項，為了確保直升機飛行過程中的安全，在各方面的設計可能會偏向于保守，基于原始設計的改良也盡可能簡單可靠。本文針對總距桿釋放按鈕的頻繁報故，設計了一種結構簡單、安全便捷、成本低廉的改良方法，通過仿真模擬驗證了本文設計的改良方法可以減少75%的報故概率，提升了飛行員操縱的便捷性與安全性。