電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳?jiǎng)悠胶庠囼?yàn)研究

項(xiàng)松，吳承雨，趙為平，張業(yè)偉，劉遠(yuǎn)強(qiáng)

1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136

2.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136

新能源電動(dòng)飛機(jī)具有零碳排放、低噪聲、使用維護(hù)方便、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為世界航空業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，在全球范圍內(nèi)興起了新能源電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)研發(fā)熱潮，截至2022 年5 月，全球約有700 個(gè)在研的電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目。我國也高度重視電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展，2019年，中國航空研究院發(fā)布了《電動(dòng)飛機(jī)白皮書》[1]。梁向東[2]根據(jù)電動(dòng)飛機(jī)研究現(xiàn)狀，通過分析電動(dòng)飛行器的高能量密度和氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)展望了電動(dòng)飛行器的發(fā)展趨勢。李開省[3]指出電動(dòng)飛機(jī)技術(shù)是未來航空工業(yè)的發(fā)展方向。范振偉等[4]通過借鑒美國等航空產(chǎn)業(yè)大國經(jīng)驗(yàn)提出了我國電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的建議。王妙香[5-6]綜述了美國國家航空航天局（NASA）亞聲速大型電推進(jìn)飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，對我國電推進(jìn)技術(shù)研究具有參考意義。穆作棟[7]分析了電推進(jìn)技術(shù)在城市空運(yùn)、短途運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，提出了混合電推進(jìn)技術(shù)是未來主要的解決方案。

電動(dòng)通用飛機(jī)普遍采用螺旋槳產(chǎn)生拉力，螺旋槳振動(dòng)原因包括質(zhì)量不平衡和氣動(dòng)不平衡兩個(gè)方面，本文主要研究質(zhì)量不平衡。質(zhì)量不平衡是由于螺旋槳—槳罩各部分的質(zhì)量不能相互平衡，整個(gè)螺旋槳—槳罩的重心不在槳軸軸線上。質(zhì)量不平衡的螺旋槳—槳罩旋轉(zhuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生的慣性離心力的大小與槳葉角大小無關(guān)，而只隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。因此，前推油門桿，如果振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，則可判定為質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)。氣動(dòng)不平衡是由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，各片槳葉的空氣動(dòng)力大小不等。主要的影響因素是槳葉變形，槳葉安裝角不符合規(guī)定。判斷螺旋槳振動(dòng)是否由空氣動(dòng)力不平衡引起，基本方法是檢查和測量各槳葉的槳葉角。

在螺旋槳振動(dòng)特性測試方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，其中郭海東、牛宏偉等[8]為了在試飛過程中對螺旋槳槳葉載荷進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)了一套遙測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)槳葉應(yīng)變信號傳輸，為后續(xù)螺旋槳載荷測量試飛提供了可靠的技術(shù)保障。程文華[9]發(fā)現(xiàn)螺旋槳飛機(jī)在飛行過程中有多種振源的擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載振動(dòng)實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)，采用飛行試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)體動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試，用于評估飛機(jī)的振動(dòng)特性，該方法對螺旋槳飛機(jī)的振動(dòng)評估具有重大意義。屈玉池[10]建立某型號螺旋槳的動(dòng)力學(xué)模型，采用錘擊方法進(jìn)行螺旋槳振動(dòng)傳遞試驗(yàn)，并分析了傳遞路徑，得到了螺旋槳到輸出機(jī)匣的振動(dòng)傳遞率，并根據(jù)振動(dòng)傳遞率對機(jī)匣測量振動(dòng)進(jìn)行修正，將其結(jié)果應(yīng)用于葉片振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算。葛漫江、王凱[11]分析了螺旋槳振動(dòng)的原因及特點(diǎn)，采用電子閃頻儀對螺旋槳振動(dòng)進(jìn)行測試與排除，有效地解決了外場排故的難點(diǎn)，縮短了排故時(shí)間，提高了飛機(jī)利用率。項(xiàng)松、楊鳳田等[12]為了防止螺旋槳在工作時(shí)發(fā)生共振，利用ES-2-150 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)對碳纖維復(fù)材螺旋槳和木質(zhì)螺旋槳進(jìn)行了振動(dòng)特性試驗(yàn)，采用諧振搜索與駐留方法測量出螺旋槳的固有頻率，通過比較兩種螺旋槳的固有頻率，最終選用碳纖維螺旋槳作為該型電動(dòng)飛機(jī)的拉力產(chǎn)生裝置。田傲[13]提出了一種螺旋槳振動(dòng)的測試方法，采用無線電近距測量系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，并在某型飛機(jī)的實(shí)際測試上取得較好效果而得到局方認(rèn)可，該試驗(yàn)方法可為其他飛機(jī)進(jìn)行螺旋槳振動(dòng)測試提供參考。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過模態(tài)試驗(yàn)、飛行振動(dòng)測試、掃頻振動(dòng)測試等方法，開展燃油飛機(jī)螺旋槳振動(dòng)特性測試，而電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳?jiǎng)悠胶庠囼?yàn)研究鮮見報(bào)道。本文采用DYNAVIBE動(dòng)平衡儀對某型雙座電動(dòng)飛機(jī)、某型四座電動(dòng)飛機(jī)、某型電動(dòng)水上飛機(jī)進(jìn)行螺旋槳外場動(dòng)平衡，測量出電機(jī)架振動(dòng)速度，并識(shí)別出不平衡位置，在不平衡位置加180°方向粘貼質(zhì)量塊，取得了較好的平衡效果。

1 試驗(yàn)方法

為降低螺旋槳振動(dòng)水平，需要對螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡，并控制振動(dòng)值在可接受范圍內(nèi)。工程中通常是將螺旋槳安裝在飛機(jī)上以后，再對螺旋槳和槳罩進(jìn)行動(dòng)平衡配平，這需要使用專業(yè)的動(dòng)平衡儀進(jìn)行操作，本次試驗(yàn)使用的是DYNAVIBE動(dòng)平衡儀，該動(dòng)平衡儀可以測量出轉(zhuǎn)速、振動(dòng)速度、不平衡位置，對于電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳?jiǎng)悠胶饩哂休^高的適用性。DYNAVIBE動(dòng)平衡儀如圖1 所示。振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)為:完美（0～0.04）、極好（0.04～0.07）、好（0.07～0.15）、一般（0.15～0.25）、不佳（0.25～1.00），如圖2所示。試驗(yàn)方法流程如圖3所示。

圖1 DYNAVIBE動(dòng)平衡儀Fig.1 DYNAVIBE dynamic balancer

圖2 振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Standard of vibration velocity

圖3 試驗(yàn)方法流程Fig.3 Test method flow chart

確保電源開關(guān)是關(guān)閉的，小心地旋轉(zhuǎn)螺旋槳，直到轉(zhuǎn)速傳感器背面的小燈亮起，這是0°的位置。DYNAVIBE指示的角度是螺旋槳—槳罩組件最重位置的角度。例如，如果系統(tǒng)顯示90°時(shí)0.25IPS，90°就是不平衡量的位置，需要在另一側(cè)（270°、90°+180°）的方向上增加重量（質(zhì)量）。傳感器安裝示意圖如圖4所示。

圖4 傳感器安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor installation

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 電動(dòng)四座飛機(jī)

RX4E 電動(dòng)四座飛機(jī)是由沈陽航空航天大學(xué)和遼寧通用航空研究院所研制的新能源通用航空飛機(jī)，其布局形式為上單翼、低平尾、前置螺旋槳、前三點(diǎn)式不可收放起落架，飛機(jī)翼展13.5m，機(jī)長8.4m，起飛重量達(dá)1200kg，最大功率為140kW，巡航速度為200km/h，續(xù)航時(shí)間為1.5h，航程為300km。在RX4E 電動(dòng)四座飛機(jī)上安裝轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)傳感器，安裝完成后飛機(jī)進(jìn)行地面測試，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min時(shí)，螺旋槳振動(dòng)速度達(dá)到最大值。轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)傳感器安裝位置如圖5所示。

圖5 四座電動(dòng)飛機(jī)傳感器安裝Fig.5 Sensor installation of four seat electric aircraft

電動(dòng)四座飛機(jī)平衡結(jié)果:平衡前電機(jī)架振動(dòng)速度為2.93in/s，儀器顯示不平衡位置在320°，根據(jù)使用說明書要求，在140°位置加配重如圖6所示，振動(dòng)速度降為0.2in/s，在座艙內(nèi)感覺座椅振動(dòng)明顯降低。為了驗(yàn)證動(dòng)平衡效果，采用AHAI3001 型工作測振儀開展了飛行振動(dòng)測試，AHAI3001型工作測振儀采用了全數(shù)字信號處理技術(shù)，支持對1s時(shí)間和一段時(shí)間的振動(dòng)加速度、速度、位移的峰值、峰峰值、有效值同時(shí)進(jìn)行測量。該型號測試儀如圖7所示。

圖6 四座電動(dòng)飛機(jī)配重位置Fig.6 Counterweight position of four seat electric aircraft

圖7 AHAI3001型工作測振儀Fig.7 AHAI3001 working vibration meter

振動(dòng)傳感器位于儀表板上方，如圖8所示，經(jīng)過飛行試驗(yàn)，振動(dòng)速度有效值為9.5mm/s。1/3OCT頻譜如圖9所示。

圖8 顯示儀表與傳感器位置Fig.8 Position of display instrument and sensor

圖9 1/3OCT頻譜Fig.9 1/3OCT spectrum

根據(jù)1/3OCT頻譜可知，40Hz時(shí)振動(dòng)最大，40Hz對應(yīng)的飛機(jī)爬升轉(zhuǎn)速為2400r/min。

2.2 雙座電動(dòng)飛機(jī)

RX1E-A 雙座電動(dòng)飛機(jī)使用50kW 級的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，采用超高性能的鋰電池作為主要能源，機(jī)體結(jié)構(gòu)為全碳纖維復(fù)合材料，具有零排放、低噪聲的特點(diǎn)。RX1EA 雙座電動(dòng)飛機(jī)翼展14.5m，機(jī)長6.6m，機(jī)高2.5m。最大飛行速度為164km/h，最大起飛重量600kg。電機(jī)效率為94%，鋰蓄電池電芯容量為40Ah，續(xù)航時(shí)間為2.5h，具有很高的能源利用率。轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)傳感器安裝位置如圖10所示。

圖10 雙座電動(dòng)飛機(jī)傳感器安裝Fig.10 Sensor installation of two seat electric aircraft

雙座電動(dòng)飛機(jī)平衡結(jié)果:平衡前電機(jī)架振動(dòng)速度為0.7in/s，儀器顯示不平衡位置在110°，根據(jù)使用說明書要求，在290°位置加配重，振動(dòng)速度降為0.28in/s，在座艙內(nèi)感覺座椅振動(dòng)明顯降低。

2.3 電動(dòng)水上飛機(jī)

RX1E-S 是在RX1E-A 的基礎(chǔ)上，通過增加電動(dòng)力系統(tǒng)功率和換裝雙浮筒式水上起落裝置研制而成的，是世界首款雙座水上電動(dòng)飛機(jī)。雙浮筒支架式水上起落裝置的排水量為1.2m3。RX1E-S 最大起飛重量為650kg，最大飛行速度為160km/h，最大功率為80kW，巡航功率為20kW，鋰電池容量50Ah，續(xù)航時(shí)間為100min。RX1E-S 電動(dòng)水上飛機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和振動(dòng)傳感器安裝位置如圖11所示。

圖11 電動(dòng)水上飛機(jī)傳感器安裝Fig.11 Sensor installation of electric seaplane

平衡結(jié)果:平衡前電機(jī)架振動(dòng)速度為0.35in/s，儀器顯示不平衡位置在105°，根據(jù)使用說明書要求，在285°位置加配重，振動(dòng)速度降為0.20in/s，在座艙內(nèi)感覺座椅振動(dòng)明顯降低。

3 結(jié)論

本文采用DYNAVIBE動(dòng)平衡儀對某型雙座電動(dòng)飛機(jī)、某型四座電動(dòng)飛機(jī)、某型電動(dòng)水上飛機(jī)進(jìn)行螺旋槳外場動(dòng)平衡，測量出電機(jī)架振動(dòng)速度，并識(shí)別出不平衡位置，在不平衡位置加180°方向粘貼質(zhì)量塊，使電機(jī)架振動(dòng)速度降至0.3in/s以下，有效降低了電動(dòng)飛機(jī)整機(jī)振動(dòng)，該方法具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。