某型飛機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰信號(hào)傳感器故障分析與試驗(yàn)

歐陽(yáng)清源 史 強(qiáng)

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，蕪湖 241007）

如何保障飛行安全一直是航空器設(shè)計(jì)人員面臨的難題。影響飛行安全的因素非常多，其中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰是一個(gè)重要隱患。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰主要是由于進(jìn)氣道空氣中存在低于0 ℃的液態(tài)水滴，這些水滴撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道表面后會(huì)迅速凍結(jié)并形成積冰，引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)畸變，進(jìn)氣通道阻塞，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量減少，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道冰層脫落后，如果被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)損傷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部葉片，造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，影響飛行安全[1]。

1 防冰/除冰系統(tǒng)介紹

出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰導(dǎo)致的航空事故以來(lái)，人們就開(kāi)展了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道防冰及除冰的研究。目前，主要通過(guò)探測(cè)飛行過(guò)程中的結(jié)冰情況，及時(shí)開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)除冰系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行除冰工作，防止發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)部表面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象[2]。某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的除冰方式主要采用加熱式除冰系統(tǒng)，當(dāng)開(kāi)啟除冰系統(tǒng)時(shí)引氣閥門打開(kāi)，利用自高壓壓氣機(jī)的熱空氣加熱整流罩和低壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)流器，從而達(dá)到除冰的目的。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的防冰/除冰系統(tǒng)包括自動(dòng)防冰/除冰系統(tǒng)和手動(dòng)除冰系統(tǒng)2 種[3]。當(dāng)工作開(kāi)關(guān)處于“自動(dòng)”位置時(shí)，即為自動(dòng)防冰/除冰系統(tǒng)。為探測(cè)飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的結(jié)冰情況，在進(jìn)氣道內(nèi)側(cè)加裝結(jié)冰信號(hào)傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)其振動(dòng)頭頻率的變化來(lái)判斷進(jìn)氣道內(nèi)是否結(jié)冰。飛機(jī)在空中飛行時(shí)，如果結(jié)冰信號(hào)傳感器結(jié)冰，冰沉積在結(jié)冰信號(hào)傳感器振動(dòng)頭上，振動(dòng)頭的剛度提高會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率增加。當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到結(jié)冰信號(hào)傳感器靈敏度設(shè)定的0.3 mm 時(shí)，振蕩頻率隨之增大到某一數(shù)值，這時(shí)電子變換器、防冰控制器中的鑒頻器電路導(dǎo)通。結(jié)冰信號(hào)經(jīng)時(shí)間間隔部件傳送給指令輸出部件，由指令輸出部件向防冰系統(tǒng)接通繼電器和結(jié)冰信號(hào)傳感器發(fā)出“防冰”和“振動(dòng)頭加熱”“支架加熱”的指令，并將“加熱”和“結(jié)冰”指示燈的發(fā)光信號(hào)提供給電子變換器與防冰控制器的前板[4]。

“振動(dòng)頭加熱”“支架加熱”指令信號(hào)使結(jié)冰信號(hào)傳感器進(jìn)行加熱除冰，“防冰”指令信號(hào)使防冰系統(tǒng)接通繼電器進(jìn)行工作，所有常開(kāi)觸點(diǎn)均接通。左、右發(fā)動(dòng)機(jī)防冰電磁活門工作，接通高壓壓氣機(jī)的熱氣源，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行防冰。同時(shí)，接通語(yǔ)音告警系統(tǒng)和綜合顯示系統(tǒng)，發(fā)出“進(jìn)氣道結(jié)冰”語(yǔ)音警告和進(jìn)氣道結(jié)冰信息。為了可靠消除振動(dòng)頭上的冰并連續(xù)發(fā)出防冰信號(hào)，飛機(jī)在結(jié)冰區(qū)域飛行時(shí)，先開(kāi)啟“振動(dòng)頭加熱”“支架加熱”指令，指令延遲（8±2）s 后關(guān)閉“振動(dòng)頭加熱”指令。指令延遲（140±40）s 后，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)、綜合顯示系統(tǒng)和“支架加熱”指令。

當(dāng)工作開(kāi)關(guān)處于“手動(dòng)”位置時(shí)，切換為手動(dòng)除冰系統(tǒng)。系統(tǒng)默認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰，直接接通防冰系統(tǒng)，進(jìn)而接通繼電器，使左、右發(fā)動(dòng)機(jī)防冰電磁活門工作。接通高壓壓氣機(jī)的熱氣源，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行防冰，發(fā)出“進(jìn)氣道結(jié)冰”語(yǔ)音警告和進(jìn)氣道結(jié)冰信息。當(dāng)飛機(jī)飛行中M大于等于1.35 時(shí)（M為馬赫數(shù)，即飛機(jī)速度與聲速的比值），空氣摩擦力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)溫度自動(dòng)升高，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因此，左、右進(jìn)氣道繼電器在M大于等于1.35 的情況下工作時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)左、右發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)。

2 結(jié)冰信號(hào)傳感器故障分析

結(jié)冰信號(hào)傳感器由振動(dòng)器、殼體、支架以及支架加熱器組成，內(nèi)部灌注密封膠，殼體密封焊接[5]。振動(dòng)器是結(jié)冰信號(hào)傳感器的主要部分，主要由振動(dòng)頭、補(bǔ)償變壓器、帶有密封的接線板和振動(dòng)器殼體組成。其中，振動(dòng)頭是振動(dòng)器的基本部件，由舌簧、腹片、鐵磁、激勵(lì)線圈、信號(hào)拾取線圈、補(bǔ)償變壓器和加熱元件組成。振動(dòng)器內(nèi)部裝有電磁勵(lì)磁系統(tǒng)、振動(dòng)片和振動(dòng)器加熱器。

自動(dòng)加熱振動(dòng)頭和支架可以除去結(jié)冰信號(hào)傳感器上的冰層，降低結(jié)冰信號(hào)傳感器振動(dòng)頭的頻率，使其滿足自動(dòng)檢測(cè)的要求。但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生很多問(wèn)題，其中振動(dòng)頭、支架自動(dòng)加熱問(wèn)題最多且危險(xiǎn)性最大，容易在傳感器內(nèi)部形成高溫、高壓，振動(dòng)頭內(nèi)部氣體急劇膨脹，從而導(dǎo)致結(jié)冰傳感器爆裂。通過(guò)分析防冰工作原理可知，結(jié)冰信號(hào)傳感器振動(dòng)頭、支架自動(dòng)加熱的可能原因包括3 個(gè)方面。第一，電子變換部件故障導(dǎo)致部件自動(dòng)輸出加熱指令，造成結(jié)冰信號(hào)傳感器長(zhǎng)時(shí)間加熱或短時(shí)內(nèi)重復(fù)異常加熱。第二，框架內(nèi)部和機(jī)上電纜存在短路（27 V 直流輸入和振動(dòng)頭加溫線圈線路之間）或者斷路（4 路放大器頻率信號(hào)），導(dǎo)致結(jié)冰信號(hào)傳感器異常加熱。第三，結(jié)冰信號(hào)傳感器自身存在問(wèn)題，如振動(dòng)頭變形、有異物等引起振動(dòng)頭頻率超差，導(dǎo)致結(jié)冰傳感器異常加熱。其中，振動(dòng)頭頻率超差是振動(dòng)頭、支架自動(dòng)加熱的主要原因。

結(jié)冰信號(hào)傳感器工作原理如圖1 所示，A、B 為結(jié)冰信號(hào)傳感器的振動(dòng)頭，a 為放大電路部分，b 為加熱電路部分，y2為振動(dòng)頭加熱繼電器、y3為支架加熱繼電器。當(dāng)結(jié)冰信號(hào)傳感器正常工作時(shí)，振動(dòng)頭的振動(dòng)頻率為5 880 ～5 985 Hz，此時(shí)放大器的輸出電壓均不小于150 mV，指令輸出部件不會(huì)接通防冰加熱，振動(dòng)頭加熱繼電器和支架加熱繼電器均處于斷開(kāi)狀態(tài)，振動(dòng)頭和支架不會(huì)加熱。

圖1 結(jié)冰信號(hào)傳感器原理

由于結(jié)冰信號(hào)傳感器安裝在進(jìn)氣道內(nèi)，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)頭變形導(dǎo)致傳感器無(wú)信號(hào)輸出的問(wèn)題。當(dāng)結(jié)冰信號(hào)傳感器輸出電壓為零時(shí)，振動(dòng)頭無(wú)法振蕩，此時(shí)鑒頻器的電路導(dǎo)通，信號(hào)經(jīng)時(shí)間間隔部件傳送給指令輸出部件。接通振動(dòng)頭加熱繼電器和支架加熱繼電器后，由指令輸出部件向防冰系統(tǒng)結(jié)冰信號(hào)傳感器發(fā)出“防冰”“振動(dòng)頭加熱”“支架加熱”指令信號(hào)，并向電子變換器、防冰控制器前板提供“加熱”和“結(jié)冰”指示燈發(fā)光信號(hào)。振動(dòng)頭、支架經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間加熱，最終導(dǎo)致結(jié)冰信號(hào)傳感器膨脹爆裂，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，影響飛行安全。防冰工作原理，如圖2 所示。

圖2 防冰工作原理

3 相關(guān)試驗(yàn)分析

3.1 結(jié)冰信號(hào)傳感器加溫試驗(yàn)

為判斷結(jié)冰信號(hào)傳感器長(zhǎng)時(shí)間加溫是否會(huì)出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，采用2 個(gè)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。第1 個(gè)結(jié)冰信號(hào)傳感器的振動(dòng)頭加溫線圈和支架加溫線圈同時(shí)接通27 V直流電，約30 s 后振動(dòng)頭發(fā)熱變紅，50 s 后振動(dòng)頭內(nèi)部冒出液體，約1.5 min 后振動(dòng)頭出現(xiàn)明火，結(jié)冰信號(hào)傳感器內(nèi)部的非金屬可燃物燃燒，明火從振動(dòng)器觸角與振動(dòng)頭端部焊接處的縫隙處冒出。此后結(jié)冰信號(hào)傳感器內(nèi)部的非金屬可燃物一直在燃燒，但是沒(méi)有爆裂。結(jié)冰信號(hào)傳感器2 組線圈持續(xù)加溫2.5 min 時(shí)，斷開(kāi)27 V 電源，此時(shí)振動(dòng)器的明火仍然存在，用抹布將其熄滅。第2 個(gè)結(jié)冰信號(hào)傳感器的振動(dòng)頭加溫線圈和支架加溫線圈同時(shí)接通27 V 直流電，約30 s 后振動(dòng)頭發(fā)熱變紅，持續(xù)1.3 min 后振動(dòng)頭加溫線圈內(nèi)部短路，啟動(dòng)穩(wěn)壓電源保護(hù)，停止供電。可見(jiàn)，正常情況下，結(jié)冰信號(hào)傳感器長(zhǎng)時(shí)間加溫并不會(huì)導(dǎo)致爆裂現(xiàn)象。

3.2 結(jié)冰信號(hào)傳感器異常加溫模擬試驗(yàn)

為驗(yàn)證結(jié)冰信號(hào)傳感器因振動(dòng)頭變形、存在異物導(dǎo)致防冰系統(tǒng)異常加溫的可能性，將電子變換部件、框架、結(jié)冰信號(hào)傳感器進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試，并將結(jié)冰信號(hào)傳感器振動(dòng)頭端部用原子灰包裹，使得振動(dòng)頭端部引形夾變形。在系統(tǒng)只接通工作電源的情況下，傳感器出現(xiàn)了自動(dòng)加溫現(xiàn)象，加溫40 s 后自動(dòng)斷開(kāi)。為驗(yàn)證結(jié)冰信號(hào)傳感器在缺少放大器頻率信號(hào)的情況下，防冰系統(tǒng)異常加溫的可能性（即傳感器無(wú)頻率信號(hào)系統(tǒng)也自動(dòng)加溫），斷開(kāi)結(jié)冰信號(hào)傳感器4 路放大器頻率信號(hào)中任意一路信號(hào)，在系統(tǒng)只接通工作電源的情況下，傳感器出現(xiàn)自動(dòng)加溫現(xiàn)象，加溫40 s 后自動(dòng)斷開(kāi)。

通過(guò)試驗(yàn)，可以判定故障原因?yàn)閭鞲衅髡駝?dòng)頭弓形夾間隙處有異物，或者弓形夾受外力影響產(chǎn)生變形，導(dǎo)致弓形夾與振動(dòng)頭側(cè)面無(wú)間隙，使得傳感器因輸出頻率變化而失效，無(wú)信號(hào)輸出，造成自動(dòng)加溫的情況。傳感器長(zhǎng)時(shí)間通電加熱，內(nèi)部溫度過(guò)高，產(chǎn)品內(nèi)部較多殘余空氣在高溫條件下膨脹形成高壓，產(chǎn)品振動(dòng)頭端部加熱部位因長(zhǎng)期加熱存在材料疲勞損傷，最終導(dǎo)致爆裂。

4 措施與建議

結(jié)冰信號(hào)傳感器的振動(dòng)頭振動(dòng)時(shí)，通常會(huì)發(fā)出刺耳的聲音，日常維護(hù)時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)無(wú)聲音或結(jié)冰信號(hào)傳感器有自加熱現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)更換。建議維護(hù)時(shí)在結(jié)冰信號(hào)傳感器的振動(dòng)頭上套防護(hù)罩，在飛行前取下，防止地面通電檢查時(shí)對(duì)工作人員造成傷害。同時(shí)，建議重新設(shè)計(jì)結(jié)冰信號(hào)傳感器的結(jié)構(gòu)形式，使其振動(dòng)頭不裸露在外，減少振動(dòng)頭變形故障。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)冰直接影響飛行安全，在防冰/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)和維修等方面要充分借鑒現(xiàn)有成熟技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)不同的進(jìn)氣道進(jìn)行試驗(yàn)，避免飛行中可能存在的結(jié)冰問(wèn)題。通過(guò)分析某型飛機(jī)進(jìn)氣道防冰/除冰系統(tǒng)的工作原理、結(jié)冰信號(hào)傳感器的構(gòu)造、振動(dòng)頭與支架自動(dòng)加熱問(wèn)題以及加溫試驗(yàn)過(guò)程，提出了維護(hù)和排除飛機(jī)結(jié)冰信號(hào)傳感器故障的方法，并對(duì)結(jié)冰信號(hào)傳感器的設(shè)計(jì)提出建議。目前，科研人員一直在努力尋找新型的防冰/除冰方法，相信不久后將會(huì)實(shí)現(xiàn)表面涂層防冰技術(shù)、微波防冰技術(shù)、光波防冰技術(shù)及超聲波防冰技術(shù)。