某拖缆长度测量结构改进方法研究

李红泉

(中国人民解放军92419部队，辽宁 125106)

1 引 言

拖靶是拖带飞机、航空绞车、拖缆和靶体组成的拖曳系统总称[1]，其中靶体上安装反射体、辐射源、脱靶量指示器、无线电高度表等设备，通过拖缆连接飞机并尾随飞机飞行，它自身无动力，其速度和高度主要由拖带飞机决定，恒高型靶体的升降舵能够在小范围内进行高度调节[2]。系统基本工作过程是：由拖带飞机挂载航空绞车及靶体上升到一定高度后，飞行员控制绞车放出靶体，拖缆放到预定长度后，转入拖航状态，此时靶体在空中逼真模拟不同飞行器的目标特性[3]，供射击打靶、捕获校飞等使用，最后飞行员再控制绞车收回靶体，返航着陆。根据称谓习惯，以下将靶体也叫做拖靶。

为了保证拖带飞机的绝对安全，必须释放足够缆长，而拖靶的收放功能由航空绞车来实现。航空绞车是拖曳系统核心，集机械、电气、液压、气动技术于一体，内部缠绕七、八千米长的拖缆，具有严密的可靠性措施[4]。航空绞车上有一个霍耳传感器测量拖缆收放长度。拖缆数值显示在座舱面板上，供飞行员掌握拖靶至飞机的距离，缆长对拖靶的飞行稳定性影响很大，一旦长度测量装置或数值显示出现故障，将会造成严重后果。因此准确测量并显示拖缆长度，可有效提升飞行可靠性。

2 长度数值问题现象描述

2.1 第一次飞行

按照飞行方案，飞行员在高空释放拖靶至设定长度，放靶过程中座舱面板显示拖缆长度数值匀速增长，根据拖靶自重下沉量，保持拖机环飞两周后开始收拖靶工作，此时所有设备均工作正常。当座舱面板显示缆长剩余150m时，飞行员目测到实际长度只有(7～8)m，即将撞击航空绞车，随采取紧急措施避免了事故。实际收回拖缆与显示长度差别，说明拖缆长度测量设备或显示装置发生了问题，但飞行员未在极短时间内注意到数值减少情况。

2.2 第二次飞行

飞行员在空中按预定长度释放拖靶，当座舱面板长度显示4348m时，拖缆长度数值停止增加，而飞行员目视拖缆继续放出，随停止绞车工作。一分钟后，再次释放拖靶，计数显示恢复正常，数字开始从4348累计增加。飞行结束后，座舱面板显示拖缆长度剩余420m。

3 长度测量结构原理

拖缆一端缠绕在绞车的卷筒上，另一端连接拖靶，其在航空绞车内部路径如图1所示。放靶时，打开航空绞车刹车及锁定机构，拖靶依靠重力及气动力自动下降，拖缆随之从卷筒中抽出，卷筒顺时针转动，座舱缆长显示增计数；收靶时，卷筒逆时针转动，将拖缆缠回到卷筒中，座舱缆长显示减计数；当拖靶被收回并锁定时，增减数值相抵，计数显示应回到零值。

图1 航空绞车收放缆剖面

航空绞车拖缆长度测量装置由计数滑轮、霍尔传感器和数据处理电路组成。拖缆绕过计数滑轮(图1中的计长滑轮)，滑轮结构如图2所示，滑轮随之转动，每转一圈，霍尔传感器发出一个脉冲信号，信号经过处理产生频率信号，即为每秒滑轮转过的圈数，由该频率值和滑轮直径尺寸得到通过的拖缆长度并显示在座舱面板上[5]。

图2 计数滑轮结构

4 故障原因分析

经过对滑轮表面、卷筒组件和信号处理电路事后检查，发现信号处理电路工作正常、滑轮及周围无机械损伤。经地面反复模拟航空绞车空中飞行情况，复现计数丢失现象，建立故障树，确认导致测长故障的原因有三种。

4.1 测长装置设计、加工缺陷

错误的几何尺寸直接导致错误数据的出现，但不会发生计数时断时续现象。

4.2 结构的物理故障

收放缆时，计数滑轮被异物卡死、电缆内部损伤、电路虚焊等意外突然发生，导致滑轮转动信号不能正常采集、传输和处理，会出现测量值与实际不符的情况。

4.3 测长装置与拖缆工作不协调

拖靶放出以后，受到拉力、重力、气动阻力共同作用，拖缆与水平面形成一个张角α(见图1)。角度越小，拖缆与计数滑轮接触弧线越长；角度越大，接触弧线越短。经测试，当张角超过35.3°时，拖缆离开滑轮，滑轮将停转，无测长脉冲信号发出，导致长度显示停止。

比对地面和空中数据记录，两次计数间断出现的共性为：拖缆长度超过4000m的收放过程中，记数滑轮转动的频率值突然由正常数据变为零，错误数据记录界面如图3所示，短时间内又恢复正常，而此时对应的涡轮转速的电机电压值始终保持正常，这说明在涡轮正常驱动的情况下，数据处理电路没有得到长度信号，可以排除电气故障。

图3 错误数据记录界面

进一步分析全航程数据得知：直线航路上大长度收放数据显示正常。但每次飞行中，拖机有两次折返，记录的时间点显示，两次长度异常均出现在拖机转弯处。当拖缆超过4000m，拖机转弯时，拖缆与拖机飞行方向会产生垂直面夹角β，如图4所示，夹角随拖缆长度的增加而加大。该角度使拖缆绕过计数滑轮时产生垂直绞车轴线的侧向力，侧向力沿滑轮槽口斜面向下的分量使拖缆沿斜面向下滑动，离开滑轮槽底滑到一侧的拖缆导向器斜面上，如图5所示。该侧向力随夹角β的增加而增大，最终使拖缆滑出，压在导向器斜面上，与滑轮脱离。此现象可以在地面模拟得到。

图4 飞行转弯航迹

图5 拖缆在计数滑轮出口状态

另外，导向器与滑轮间距偏小，即滑轮轴向间隙小于轴承轴向游隙，滑轮受到侧向力，造成滑轮轴向移动与导向器侧面接触，加大摩擦，使滑轮不能正常转动，出现长度计数停止现象，这种情况同样可在地面得到验证。以上分析可以判断，计数滑轮和导向器装配间隙小在特殊飞行状态也可能造成测长错误。

如前所述，当与绞车水平面夹角超过35.3°时，计数滑轮无脉冲发出。而两次计数丢失问题均发生在拖缆长度大于4000m，此时拖靶与拖带飞机高度差约500m，相应的夹角为

arcsin(500÷4000)=7.2°

该角度远远小于35.3°的极限值，拖缆应能够与滑轮充分接触。即使拖靶受到突变气流，出现瞬间跳动，这种情况造成的短时间脱离可以由滑轮高速旋转的惯性来弥补，不是造成计数丢失问题连续发生的原因。

同步检查未发现计数机械结构存在异物、卡死或松动现象，部件几何尺寸均正确。由此可见，造成计数丢失的原因是计数滑轮和导向器设计不合理，装配公差未考虑实际应用中受力情况。

5 解决措施

根据原因分析和故障复现，进行了如下改进：

(1)滑轮结构调整

减小滑轮槽口深度，把滑轮槽口两斜面夹角减小20°，使拖缆不易滑出。适当加大滑轮轴向间隙，由0.3mm增加到0.8mm，即最细缆径的二分之一；导向器贴近滑轮两侧表面的倒圆半径调整为20mm，并让滑轮边缘超出导向器(1～1.5)mm，避免拖缆压在导向器斜面上。

(2)双路测长装置

如图1所示，拖缆与现在计数滑轮的最大贴合包角为45°，而与减震滑轮的包角达140°，且拖靶出现瞬间跳动经拖缆传递后，减震滑轮的包角不会改变。在该轮滑上增加一套计数装置，同样输出至座舱显示，提高计数可靠性，实现“双保险”。

(3)优化航路设计

飞行航路对拖靶飞行姿态的影响很大，飞机作机动动作也会对计数准确性带来困难。在航路规划时，充分考虑转弯半径、空中气流和爬升率等因素。

按照上述方法改进之后，连续十多次实际飞行均无计数丢失问题再发生，说明故障已归零，措施得当,图6是截取的某次收揽数据记录截面。

图6 正确数据记录界面

6 结束语

准确记录并显示拖缆长度是飞行的关键，若放靶时出现计数不正常，会造成收靶完毕剩余计数，这种情况只延长收靶时间，没有危害性。但如果收靶时出现计数不正常，缆长计数减少量就比实际减少量小，造成航空绞车无慢收或慢收时间特别短(最后100m自动转变为慢速收揽)，拖靶上架时往往被撞掉，不仅损失装备，更威胁飞机安全。

尽管现在自主控制技术已实现无人机带拖靶飞行，如“大鸥”无人机，注重了“人”的保护，但航空安全仍是大家普遍关心的问题。如拖靶系统等依赖有人机的装备仍会大量使用，在问题出现后尽力复现故障，弄清原因并找到恰当解决途径，是问题归零的普遍方法。本文的目的是为同行提供经验参考，避免类似问题发生。