民用直升机总距杆双余度杆释放按钮开关信号采集的一种改良设计

张聪辉

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0.引言

在部分装备了并联舵机的民用直升机上的总距杆手柄和驾驶杆手柄会有杆释放按钮，英文标识一般为“Trim Release”。该按钮是在接通直升机自动驾驶功能之后才可以使用的[1]，按下该按钮对应的并联舵机便解除锚定状态，杆力减小，允许飞行员对直升机姿态进行比较大的改变，在新的飞行姿态松开该按钮之后并联舵机会锚定在新的状态同时杆力加大此时飞行员无法对飞行姿态进行大的调整[2]。这个按钮在飞行中使用频次很高，也是关乎飞行安全至关重要的一个按钮。

在某型中型通用民用直升机试验试飞过程中，由于总距杆上的杆释放按钮不能很好完成功能导致自动飞行控制系统频繁报故，严重影响了飞行员的操纵过程和体验，原因在于该按钮的双余度开关信号可能因为飞行员按压力度较小导致无法同时接通，2个信号不同步导致自动飞控系统触发保护机制。基于上述现象本文对该按钮双余度开关信号提出了一种设计改进思路。

1.故障原因以及改良设计目标

1.1 故障原因研判

飞行员经常反馈按压总距杆手柄上的杆释放按钮之后自动飞行控制系统会出现警告信息，同时伴有总距杆杆力变大的情况，此时飞行员难以再进行对直升机姿态的更改动作，必须通过飞控系统的复位功能来重新操纵直升机，而且该现象出现的频次很高，一个架次的飞行中往往会出现十几次，严重影响了飞行员的操作，飞行员对如此高频次的报故表示难以接受。

在分析后台数据时发现，杆释放按钮按下之后总距并联舵机并没有解除锚定状态，杆释放按钮的功能没有完成，后台数据还显示杆释放按钮按下之后触发了自动飞控系统的一个安全保护程序，自动飞控系统判定此时杆释放按钮失效并且锁定了总距并联舵机，因此飞行员会感觉杆力变大而且无法对直升机进行大的姿态调整[3]。再结合总距杆手柄杆释放按钮的电路模型，可以初步研判出该故障的原因。

如图1所示，该总距杆手柄的杆释放按钮为双余度设计，但是开关信号类似“串联”只有上下两个开关全部接通之后杆释放信号才会输出到自动飞控系统，如果飞行员按压力度比较小只有一个开关信号接通另一个开关信号处于“接触不良”的状态如图2所示，自动飞控系统会判定此时杆释放按钮故障并且触发保护机制锁定总距并联舵机，系统报故逻辑可以参考图3的逻辑梳理。

图1 双余度设计的杆释放按钮

图2 只有一个开关接通的情况

图3 故障逻辑梳理

1.2 改良设计目标

要提高飞行员的操纵体验和安全性就要尽量减少不必要的系统报故，要减少报故次数就要在飞控系统和硬件层次两方面研究。在该型民用直升机的设计理念中，安全性处在比较高的位置[4]，如果该按钮两个开关不能同时接通，设计人员会优先认为按钮存在机械故障或者其他部件相关存在硬件故障，此时要保证直升机状态稳定不能有较大的姿态改变，因此要锁定总距并联舵机将姿态锚定[5]。基于此设计理念，不能将这两个开关改成“并联”模式，即只要有一路开关信号接通就执行杆释放功能。同时改良设计要尽可能简单高效，不能因为改良设计导致按钮机械故障时飞控系统无法报故，尽量在原有手柄按键和控制系统进行少量改动降低成本，改良设计的体积也要小。

2.双余度杆释放按钮开关信号的改良设计思路

在进一步的分析中发现，开关“接触不良”的状态时电路有时并非完全没有电流只是电流比较微弱，此时的微弱电流无法达到开关信号的阈值。因此可以将开关信号中的电流放大进而使减少两个开关信号不同步的概率进而减小“接触不良”状态对于飞行员操作的影响。

如图4所示，在2个开关之后分别加装单独的放大模块和限幅模块，放大模块的目的是放大电路中的电流信号，如果某一个开关电路中存在“接触不良”的现象，放大模块就可以按预设的比例放大电路中的电流，使该电路电流满足阈值要求，放大倍数可以设置为10～20倍。为了保证电路中电流不过大，在放大模块之后加装限幅模块，将电路中电流限制在合理范围之内，保证电路安全，限幅值可以设置在正负0.5A。

图4 加装放大电路和限幅电路的改良设计

放大模块和限幅模块可以采用基本的运算放大器芯片实现，加装成本低而且高效可靠，也无需对自动飞控系统软件做调整。如果开关电路中存在机械故障改良之后的电路同样可以保证不会输出，可以保证飞行安全。

3.模拟仿真

在实际飞行中，飞行员表示按压杆释放按钮报故的概率大约在20%。本文通过参数设计将原始开关电路的报故率设置为20%附近，通过100次的模拟按压输入检验改良设计的效果。

如图5所示，上方为改良电路，下方为原始电路，开关信号电流阈值设置为0.3，只有两路开关信号的电流均大于等于0.3时，电路输出高电平表示此时手柄按键正常按下功能实现。反之则输出低电平，表示此时自动飞控系统接收到不同步的开关信号，将会触发报故程序。

图5 仿真原理图

如图6所示，原始开关信号电路，图示共计100次按压，共有80次正常输出20次报故，报故率20%，接近真实飞行情况。

图6 原始开关电路输出结果

图7所示为加装放大模块以及限幅模块之后开关电路的输出结果，可以看到100次的按压试验中只有5次报故，报故率降低至5%，相比原始20%的报故率降低了75%的报故概率，比较好的改善了由于开关电路输出信号不一致导致的系统报故。

图7 改良之后开关电路输出结果

4.结论

在民用直升机领域安全性通常是优先级最高的注意事项，为了确保直升机飞行过程中的安全，在各方面的设计可能会偏向于保守，基于原始设计的改良也尽可能简单可靠。本文针对总距杆释放按钮的频繁报故，设计了一种结构简单、安全便捷、成本低廉的改良方法，通过仿真模拟验证了本文设计的改良方法可以减少75%的报故概率，提升了飞行员操纵的便捷性与安全性。