某型号直升机超短波电台电磁干扰问题研究

张 海 路 杰 沈凌志

（昌河飞机工业集团有限责任公司，江西 景德镇 333000）

0 引言

随着越来越多的新技术被应用于直升机上，直升机电磁干扰问题也不断出现。如何快速有效找出并解决因电磁干扰而产生的故障，成为直升机技术领域亟待解决的问题。某型号直升机在超短波电台发射时，空调出现异常并停止工作，本研究以该故障为研究对象，通过分析故障原理，基于故障树来快速寻找干扰原因，并制定详细的方案机进行验证。同时，在直升机电磁兼容优化方面开展研究，力求减少此类问题的发生。

1 概述

直升机通信系统可完成空空视距、空地视距和超视距的语音通信，实现机内乘员间的通话，接收组合设备的音频信号。作为直升机的短程通信系统，超短波系统基于空间波及视距传播来完成通信，相较于短波通过大气电离层反射来传播的方式，其具有可靠性高，受季节、昼夜、太阳活动影响较小的特点［1］。

空调系统作为直升机的辅助系统，可调节驾驶舱环境温度，能有效满足飞行员对使用舒适性的需求，并提高直升机的人性化设计水平。当超短波系统工作时，如果空调出现异常，并停止工作，将极大地降低飞行员的舒适度，导致直升机整体质量水平下降。

2 故障现象及原理分析

2.1 故障现象

某型号直升机在执行试飞任务时，当使用超短波电台2 进行通话时，直升机制冷系统会停止工作，且制冷控制盒的面板上显示“E04”故障代码，但在使用超短波电台1 进行通话时，空调能正常工作。

2.2 原理分析

直升机蒸发循环制冷系统通过液态制冷剂相变来吸收座舱内的热量，使空气在进入座舱或设备舱前温度显著降低［2］。该系统由蒸发器组件、冷凝器组件、压缩机组件、制冷电控盒和制冷控制盒等组成。制冷时，电控盒会发信号给压缩机、冷凝风机、蒸发风机，压缩机、冷凝风机、蒸发风机开始运转，将压缩机抽吸蒸发器出口的低温低压制冷剂蒸汽压缩成高温高压气体，并排至冷凝器，该高温高压制冷剂气体在冷凝器中被风机抽吸的外界大气冷却，冷凝成温度和压力较高的液体，经储液器后进入膨胀阀节流膨胀，温度和压力会急剧下降，变为一种低温气液混合物。该混合物流入蒸发器，与蒸发风机抽吸的驾驶舱暖湿空气进行热交换，通过吸热蒸发变成低压蒸汽，重新回到压缩机中，至此完成一个循环。同时，舱内暖湿空气在蒸发器中放热冷却，通过送风口供给驾驶舱用于制冷，如此循环往复，可达到制冷的目的。通风时，压缩机不运转，在蒸发风机的搅动下，驾驶舱内空气循环流动。

制冷电控盒由控制组件、电源滤波组件、隔离电源、故障检测组件、接触器组件、电子开关组件、电流电压采样电路等组成。控制组件由单片微机和FPGA 组成，可完成产品输入、输出的控制处理；机上直流电压经滤波及瞬变抑止后，通过隔离电源模块输出5 V、+12 V 的工作电压，作为产品内部各组件的工作电源；制冷操纵盒传输的控制指令经通信电路处理后输入控制组件，控制组件控制对应的接触器或电子开关的通断；27 V 电源电压、三相交流电压经电流电压取样电路后，通过输出器的输出触点和电子开关输出给大电流负载，从而完成对大电流负载的启∕停控制；故障检测组件对接收到的负载电流取样电压、27 V 电源电压、三相交流电压、三相工作电流、压力信号和超温信号等进行差分比较处理，输出有效时为12 V、无效时为0 V，且与机上27 V电源完全隔离的故障告警信号，一起输送给冷操纵盒进行分析处理。

根据该型号直升机驾驶舱制冷系统安装与调试技术条件，故障代码“E04”是指电磁离合器发生断路故障。MCU 控制器发出控制信号，使场效应管导通，电流采集芯片采集采样电阻两端的电压，采样电阻两端的电压经差分放大器放大10 倍，并叠加在2.5 V基准上，输入至短路、断路故障电路中。当此电压大于短路通道设定的门限电压（2.83 V）时，输出电磁离合器短路故障的信号；当此电压当小于断路通道设定的门限电压（2.525 V）时，输出电磁离合器断路故障的信号。

3 故障分析及处理

3.1 故障初步分析

通过分析故障现象，结合系统原理，对成品故障、线路异常和电磁干扰等方面进行分析，并对故障进行定位、验证和处理。

3.2 故障定位

按照故障初步分析结果，依次对机器故障进行检查。①按系统线路图对空调系统线路进行导通检查，未发现问题。②更换确认功能正常的制冷电控盒后进行地面验证，故障未消失。③更换确认功能正常的制冷操纵盒后进行地面验证，故障未消失。④对超短波天线进行接地打磨操作，测量接地电阻后进行地面验证，故障依然存在，再进行电磁兼容试验检查，未发现问题。⑤更换不同厂家生产的驾驶舱循环制冷装置进行地面验证后发现，在更换A 厂和B 厂的蒸发循环制冷装置后，故障消失，但更换C 厂的蒸发循环制冷装置后，故障依然存在。⑥对三个厂家的产品进行对比，发现C 厂的蒸发循环制冷装置内部安装了电磁离合器，而其他两个厂家的产品未安装电磁离合器。⑦结合“E04”故障原理可以发现，制冷电控盒会对经过蒸发循环制冷装置内部电磁离合器的电流进行监测，当电流的波动超过500 mA 时，制冷电控盒会自行切断对蒸发循环制冷装置的供电，从而起到对蒸发循环制冷装置的保护作用。

由于机上超短波电台1 发射时空调仍能正常工作，进一步推断导致故障产生的原因为超短波电台2发射时产生的电磁干扰导致空调停止工作。

3.3 故障验证

将制冷电控盒内部的门限电流调整为450 mA后，进行地面通电验证后发现：当超短波电台2 的频率低于129 MHz 时，空调可正常工作；当频率高于129 MHz时，部分频率仍会导致空调停止工作。

根据上述试验结果，制定以下验证方案。①将制冷电控盒内部的门限电流按照450 mA、400 mA、350 mA、300 mA、250 mA、200 mA、150 mA、100 mA逐步向下调整。②在不同门限电流下，分别测试超短波电台2 在工作频率中是否会导致空调停止工作。

由地面验证结果可知，当制冷电控盒的门限电流调整为150 mA时，超短波电台2工作时不会导致空调停止工作。

为充分验证150 mA 的门限电流能否满足空调正常工作的要求，对调整后的制冷电控盒进行多次试飞验证，验证结果无问题。

3.4 故障处理

通过地面试验和空中飞行验证可知，该故障是由制冷电控盒内部的门限电流设置不合理而导致的，超短波电台2 在工作时，空调内部因自我保护而停止工作。当制冷电控盒的门限电流调整为150 mA 后，超短波电台2工作时不会导致空调停止工作。经现场多次试验，150 mA 的门限电流能有效实现对空调的自我保护。

经过上述测试与分析，将制冷电控盒的门限电流调整为150 mA，可有效解决此类问题，且调整制冷电控盒的门限电流后，在后续飞行过程中，直升机未再出现该类故障。

4 问题解决方法

对超短波电台发射时空调出现异常并停止工作的故障进行排查，从排查过程和结果来看，直升机制造过程中的前期电磁兼容试验是十分重要的。如果前期电磁兼容试验足够全面，能在试验时发现并解决该问题，就可避免该问题在直升机试飞时才暴露，影响直升机的质量。目前，直升机电磁兼容是按设计部门的试验大纲进行设计的，而电磁兼容的要求和改进则基于实际问题的数据积累。随着直升机系统内部和外部电磁环境越来越复杂，系统电磁兼容评估技术也要有新的突破［3］，所以电磁兼容研究和优化对直升机整体质量的提高起到关键作用。

4.1 电磁兼容性问题发生的基本原因

试验结果表明，无论是机上复杂的航电系统还是简单的成品，任何一个电磁兼容故障的发生必须要具备三个基本条件，即有一个稳定的干扰源、有传播干扰能量的途径或通道、必须有被干扰对象进行响应。

必须同时满足以上三个基本条件，直升机才会出现电磁兼容性问题，所以要解决基本的电磁兼容性故障，就至少要解决以上三个必须条件中的一个。

4.2 电磁兼容性问题解决的基本方法

针对直升机电磁兼容性问题产生的三个必须条件，只要对其中任何一个条件进行排故工作，就可解决电磁兼容性问题。

4.2.1 消除稳定的干扰源。一般来说，直升机上的稳定干扰源一般是机上成品。如果机上成品是稳定的干扰源，就可通过组合频谱仪和接收天线、电流环或电磁环进行信号测试，从而实现对干扰源的定位。干扰源的具体表现形式为成品内晶振震荡辐射、高压高电流系统对空气的电晕放电或通信（广播、定位）等大功率无线电发射设备对外发射无线电波。①解决成品内晶振震荡辐射的方法。对成品内部进行优化改进，在不影响成品功能的前提下，更改成品内部的晶振频率，完成成品自屏蔽的更改工作，同时在条件允许的情况下，将成品接插件更换为屏蔽接插件。②解决高压高电流系统对空气电晕放电的方法。将相应高压高电流系统的电源电缆更换为屏蔽电缆，如果电缆无法更换，可在相关线路上套上屏蔽套，一般此类干扰为低频干扰，屏蔽收头要以单端接地的方式进行接地。由于通信、广播、定位等大功率无线电发射设备属机上成品功能性设备，主要通过发射天线对外发射电磁波，暂时无法对其做出相应更改，最好的解决办法是频率隔离，在直升机设计阶段合理分配频率分布及对发射天线实施隔离分布。

4.2.2 隔断干扰能量的传播途径或通道。通常情况下，电磁干扰的传播途径有两个，一是传导传播，二是辐射传播。①传导传播最基本特征是干扰源与敏感器件之间必须有完整的电路连接，干扰信号沿电路传至敏感器件。可通过组合示波器、万用表、负载组合而成的接收回路对信号进行测试，从而定位干扰源，传播电路包括导线、设备导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平面电阻等。解决电磁干扰传导传播途径的方法如下：重新更改机上相应接地系统，做到合理分流；在条件允许的情况下，将机上相关成品搭接电阻调整为最小状态，满足电磁兼容搭接需求；在重大干扰信号传输电路线路中，按照其信号特性来增加相应滤波器，对信号进行滤波，滤除或衰减干扰信号。②辐射传播的最基本特征是电磁干扰信号通过介质以电磁波形式进行传播，干扰能量按照电磁场规律向周围空间发射，辐射传播包括天线辐射、产品晶振辐射、电源线电磁场辐射等。解决电磁干扰辐射传播途径的方法如下：在相应高压高电流系统电源线路上套上屏蔽套，断绝其向外产生电磁场；在系统布局时，将容易相互干扰的设备尽量安排的较远，通过空间隔离来减小相互干扰信号；机上电缆布线时，导线的拐弯应为圆角，同时尽量限制平行线间的最小距离；容易干扰的机上电路板布线时，信号线与电源线必须交叉的地方要使导线互相垂直，同时规定线与线之间的最小间隔；尽量将电信号转换为光信号进行传播；设备要安全合理接地，满足电磁兼容性搭接要求；若存在不可避免的情况，应将机上使用频率按时间或功能性分布进行管制。

4.2.3 减少被干扰对象的响应。电磁干扰的传播途径有两个，一是传导传播，二是辐射传播。与之相对应的，被干扰的敏感设备与干扰的耦合途径也有两个，一是传导耦合，二是辐射耦合。减少被干扰对象响应的方法如下：优化被干扰成品的内部电路，增加相应滤波器选择性抑制干扰；成品搭接电阻做到最小，采用最好的接地技术，满足电磁兼容搭接需求；对容易被干扰的相关线路采用屏蔽技术对干扰信号进行屏蔽；在被干扰设备成品内部信号输入端增加滤波器来过滤干扰信号；对容易被干扰的设备外部采用自屏蔽技术，同时采用屏蔽接插件对外部干扰信号进行隔绝；成品内部采用合理的接地技术，分离与引导消除干扰信号。

5 结语

直升机从研制到最后批量生产过程中会出现许多问题，这些问题可能是直升机维护性问题，也可能是选材问题，还有可能是需要进一步优化改进的问题［4］。通过上述故障案例分析可知，该故障是由制冷电控盒的门限电流设置不合理导致的，通过多次地面试验和飞行验证，最终可找出既能保护空调系统，又不会影响到直升机正常工作的电流值，但该故障在直升机电磁兼容试验时能被发现，所以在后续的直升机研制过程中，应制定全面的整机电磁干扰试验计划，从而避免类似故障的出现。