引用本文
高维, 舒晴, 屈进红, 周坚鑫, 乔阳, 尹航. 航空物探飞机典型飞行状态下振动特性研究[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 93-99.
GAO Wei, SHU Qing, QU Jin-Hong, ZHOU Jian-Xin, QIAO Yang, YIN Hang. A study of vibrational characteristics of the airborne geophysics aircraft under typical flight conditions[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 93-99.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.17  
Permissions
Copyright©2016, 物探与化探编辑部
© 《物探与化探》编辑部
航空物探飞机典型飞行状态下振动特性研究
高维1, 舒晴1,2, 屈进红1, 周坚鑫1, 乔阳1, 尹航1
1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130021

作者简介: 高维(1983-),女,工程师,主要从事航空物探数据处理、综合解释工作。E-mail:gw551121@163.com

收稿日期: 2015-08-25
基金: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA060501)
摘要

飞机振动对航空重力或重力梯度测量而言十分重要,为充分了解飞机振动特性,并为相关仪器系统量程和结构设计提供参考和依据,笔者针对Y-12和Cessna 208固定翼飞机典型航空物探飞行状态下的振动情况进行了大量测量和深入分析。研究结果表明:飞机地板上的振动主要由发动机引起,振动能量随螺旋桨转速呈倍频规律分布,该倍频的基频为螺旋桨转速基频乘螺旋桨叶片数,飞机在飞行状态下的振动为典型的周期性振动信号。

关键词: 航空物探; 振动特征; 固定翼飞机; 频谱分析
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0093-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.17
A study of vibrational characteristics of the airborne geophysics aircraft under typical flight conditions
GAO Wei1, SHU Qing1,2, QU Jin-Hong1, ZHOU Jian-Xin1, QIAO Yang1, YIN Hang1
1.China Aero Geophysics Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083,China
2.College of Geoexploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130021,China
Abstract

Aircraft vibration has an effect on airborne gravity and gravity gradient measuring system.In order to have a full understanding of aircraft vibrational characteristics and provide some advices and references for instrument system ranges and physical design,the authors carried out a large amount of measurement and depth analysis of vibration characteristics of Y-12 and Cessna 208 aircraft.The results show that the vibration of aircraft floor is mainly caused by the engine,the propellers speed shows regular multiple frequency distribution in vibration energy,and its fundamental frequency of multiple frequency is expressed as fundamental frequency of propellers speed multiplied by the propeller vane.The vibration of the aircraft under flight conditions is the typical periodic vibration signal.

Keyword: airborne geophysics; vibration characteristics; fix wing aircraft; spectrum analysis

在航空重力、重力梯度系统测量中, 飞机发动机、大气湍流等机载环境所产生的高频扰动加速度是重力异常信号的成百上千倍, 这些高频扰动降低了惯性器件性能, 造成导航计算和航空重力解算的压力大幅度增加, 严重影响到导航解算和重力测量的精度, 只靠单纯的数字滤波对其已起不到很好的消除作用[1, 2, 3]。目前, 国内相关的搭载航空重力系统的飞行平台振动测试结果相对少, 无法较全面掌握其振动特性及变化规律。

为研究航空重力、重力梯度测量系统搭载平台的振动情况, 掌握其变化规律, 获得典型航空物探搭载平台的振动参数和周期振动频率, 减小飞机振动对航空重力、重力梯度测量精度的影响, 显得尤为迫切。笔者选择两种典型航空重力系统搭载飞机进行了飞行状态下多种飞行姿态的振动测试。

通过测试分析可以有效地得出飞机发动机的周期振动频率, 借此航空重力仪或重力梯度仪在结构设计上可以让固有振动频率有意地避开飞机发动机的周期振动频率及倍频振动能量较强的位置, 为航空重力/重力梯度测量系统的设计、安装提供依据。

1 飞机振动测量概况
1.1 测量设备

飞机振动测量选用北京东方振动和噪声技术研究所的振动测量系统[4], 仪器主要部件包括:INV3018C型高精度数据采集仪、INV9828型加速度传感器、DASP-V10数据采集和分析软件、移动采集设备和数据传输线缆等。振动测量设备连接情况如图1所示, 关键元器件技术指标见表1。

图1 振动测量设备连接示意

表1 振动测量系统关键元器件及技术指标
1.2 传感器布点方案

为测量飞机地板横向x(飞机翼展方向)、纵向y(飞机纵轴方向)和垂向z振动, 选用三面小钢座作为安装媒介, 将传感器通过磁座直接吸附到小钢座上, 再将小钢座刚性安装在飞机重心的地板工位处(图2)。飞机底板振动分析频率设计为2 000 Hz, 采样率选取5 120 Hz, 采样率符合工程上2.56~4倍的设计, 可以有效避免数据采集中的混频现象。

图2 振动测量传感器安装及连接实物照片

1.3 振动测量情况

振动测量选取两种机型, 分别为Y-12和Cessna208固定翼飞机。Y-12飞机振动试验在白天进行, 测量地点为张家口地区, 振动测量以山区起伏为主, 共接收了13个有效架次, 所采集数据中选取测量效果好、气流相对平稳的数据进行分析, 该机型在起飞姿态下采集数据21 s, 平稳飞行采集数据50 s。

Cessna208飞机振动试验选择在夜间气流相对平稳的海面进行测量, 测量地点为南通地区, 共接收了9个有效架次, 其中在起飞姿态下采集数据24 s, 平稳飞行采集数据55 s。

2 Y-12飞机典型飞行状态振动特征分析
2.1 平飞状态时域和频域分析

为了分析Y-12飞机典型飞行状态下的振动特征, 在所采集数据中选取测量效果好、受外界干扰少、气流相对平稳的第12架次的平稳飞行状态下的振动数据进行分析, 测试传感器放置位于飞机重心地板工位处, 所采集数据为三个方向振动加速度值。

通过时、频域分析(图3), 飞机垂直方向振动加速度幅值要比水平两个方向略大, 振动加速度的峰峰值主要集中在飞机螺旋桨转速的倍频频率上, 振动特征为周期振动信号, 振动周期约为0.0 107 s, 频率在93.75 Hz左右, 具体的不同频段内的幅值统计, 见表2。

图3 平稳飞行三方向时域、频域分析a— x方向时域; b— x方向振动频谱分析; c— y方向时域; d— y方向振动频谱分析; e— z方向时域; f— z方向振动频谱分析;

针对飞机重心地板上三个方向的振动数据(图3, 表2), 进行频谱分析发现在93.75 Hz时, 垂直z方向上的振动加速度值最大, 为1.636 m/s2; 而在282.5 Hz时, 水平横向x和水平纵向y的振动加速度最大, 分别为0.989 m/s2和1.288 m/s2。三个方向的倍频节点基本是吻合的(见表2), 但加速度峰值出现是有先后顺序的, z方向振动量最强, 出现的倍频峰值也要靠前, x、y方向出现要滞后, 而且x、y振动峰值最大值出现的频段时, z方向已经开始逐渐衰减。

表2 平稳飞行状态下三方向振动信号倍频统计
2.2 振动测试统计分析

平飞状态和起飞状态是飞机典型的两个飞行状态, 平飞时是平稳飞行状态下飞机振动加速度最小的一种飞行状态, 而起飞状态是飞机各种飞行状态下振动加速度极限状态, 这两种状态比较具有典型意义, 是衡量飞机振动水平的典型飞行状态, 同时为传感器量程设计提供依据。

表3分析Y-12飞机地板平台x、y、z方向在10、50、100、300、500、1 000 Hz内的加速度有效值、最大值和频段内最大幅值的频率。

表3 平稳飞行和起飞状态下三方向振动信号统计

观察表3中的有效值和最大值, 并结合图4可知, Y-12飞机平稳飞行状态下, 从飞机振动有效值统计上看, 300 Hz以后x、y、z方向的振动能量趋于稳定, z方向略有下降。飞机的z方向振动能量大约在2.6 m/s2, 略大于x、y方向的振动能量。Y-12飞机的振动最大值随着频段的上升, 最大值不断增大, 在300 Hz已经达到一定的水平, z方向已经和500、1 000 Hz内的振动能量相当, 也很好的证明了大部分振动能量主要集中在300 Hz以内。从不同频段内的最大幅值频率统计来看, 除10 Hz以内的几个频率, 其余无一例外, 均为Y-12飞机螺旋桨转速的倍频位置。

图4 不同频段内三方向振动有效值统计a— 平稳飞行; b— 起飞

Y-12飞机起飞状态下, 振动有效值在低频10 Hz以内, x、y方向与平稳飞行振动水平相当, z方向的振动能量反而更低。从50 Hz以后三个方向的振动有效值快速增大, 在300 Hz频段, z方向已经达到近10 m/s2, 而水平x、y方向在300 Hz频段还处于增长阶段, 500 Hz后才趋于稳定。Y-12飞机起飞状态最大值在50 Hz急剧变大, 在1 000 Hz频段达到最大, x方向最大值达到了56.54 m/s2, z方向为44.37 m/s2。从最大幅值频率分布上来看, 可以看出飞机起飞状态螺旋桨转速比平飞时有了很大的提升, 三倍转速倍频从93.75 Hz提升到了109 Hz。除个别低频段的频率, 大部分最大幅值的频率都处在飞机螺旋桨转速的倍频位置。

2.3 周期振动特点

分析图5平飞状态下飞机地板平台z方向加速度三维谱阵, 可以进一步发现飞机地板平台振动信号的规律。图中, 亮黄色的频谱线为飞机地板振动加速度的峰峰值, 从300 Hz以后, 飞机地板振动的亮黄色谱线已经不是很明显, 表明振动量在此频段已经逐渐减弱。从图中收集的突出频率为:31.25、93.75、188.125、282.5、375、470、560.75 Hz, 并且这些频率之比为1:3:6:9:12:15。从上述比值中任意选出两个频率值, 两两相除, 均为整数或有理数, 这符合周期信号谐波分析方法[5]。由此可以证明, 飞机发动机造成飞机地板的振动是一种以周期信号为主的振动信号。该规律也在飞行振动测试中得到进一步证实, 根据测试飞行所知Y-12飞机平飞时螺旋桨转速为1 875 转/分钟, 该机型为三片桨叶, 计算获得Y-12飞机螺旋桨基频为31.25 Hz, 三倍频率为93.75 Hz, Y-12飞机地板振动是周期振动信号, 它以93.75 Hz作为基频, 呈倍频规律分布。

图5 平飞状态下飞机地板z方向的加速度三维频谱

3 Cessna208飞机典型飞行状态振动特征分析
3.1 振动时域和频域分析

由于Cessna208飞机振动数据都在夜间采集, 夜间气流相对白天平稳, 所以该机型的振动数据总体上受外界干扰相对Y-12飞机少, 振动数据相对更客观。分析数据选取了该机型第5架次的振动数据, 测试传感器放置位于Cessna208飞机重心地板平台工位处, 所采集数据为三个方向振动加速度值。

通过时、频域分析(图6), 飞机垂直z方向振动加速度要比水平两个方向略小, 振动加速度的峰峰值也是主要集中在飞机螺旋桨转速的倍频上, 振动特征为周期振动信号, 振动周期为0.012 s, 频率在83.75 Hz。

图6 Cessna208飞机平稳飞行三方向时域、频域分析a— x方向时域; b— x方向振动频谱分析; c— y方向时域; d— y方向振动频谱分析; e— z方向时域; f— z方向振动频谱分析

针对飞机重心地板三个方向的振动数据(图6, 表4), 若共振点频率不参与统计, 对螺旋桨倍频进行频谱分析发现在83.75 Hz时, x、y、z三方向的加速度值都已经达到了最大, 分别为0.35 379m/s2、0.82 355 m/s2和0.52 025 m/s2。z方向螺旋桨转速倍频特征更清晰, 整个频段内没有存在明显的共振点, 比较大的振动加速度峰值出现在83.75和167.5 Hz。水平x、y方向倍频现象略显清晰, 但是在频段内存在共振点, 图6中的倍频现象被明显压制。以实际测量情况分析, x方向的两个共振点的振动加速度很大, 超过了倍频的最大峰峰值, 致使x方向的振动加速度有所提高。y方向的一个共振点加速度虽然没有超过倍频最大峰峰值, 但共振频谱范围比较宽, 是抬高y方向的振动加速度的主要因素。

表4 平稳飞行状态下三方向振动信号倍频统计
3.2 振动测试统计分析

表5分析了Cessna208飞机地板平台x、y、z方向在10、50、100、300、500、1 000 Hz内的加速度有效值、最大值和频段内最大幅值的频率。观察表5中的有效值和最大值, 并结合图7可知:Cessna208飞机平稳飞行状态下, 从飞机振动有效值统计上看, 飞机的振动有效值z方向在100 Hz后增速趋于平缓, 而水平x、y两个方向一直保持较高的匀速增长水平, 在1 000 Hz频段内x、y方向的振动有效值高于z方向近1.5倍。最大值也是随着频段的不断升高, 振动加速度逐渐增大, 水平x、y两个方向最大值同样高于z方向的振动加速度。从不同频段内最大幅值频率分布上来看, 除10 Hz以内的几个频率和x方向共振点471 Hz外, 其余均为螺旋桨的转速倍频。

表5 平稳飞行和起飞状态下三方向振动信号统计

图7 不同频段内三方向振动有效值统计a— 平稳飞行; b— 起飞

Cessna208飞机在起飞状态下, 飞机的振动有效值随频段增长不断增大, z方向振动能量保持较高的水平, 300 Hz后Z方向有效值开始缓慢下降, 而水平x、y两个方向从500 Hz后开始下降。该飞机起飞时振动能量相比平稳飞行状态下的有效值大很多, z方向在1 000 Hz频段的最大值达到了11.43 m/s2, 比平飞时大了近2.5倍。从最大幅值频率统计数据上来看, 显示螺旋桨的三倍频已经从83.75 Hz提升到93.75 Hz, 频率也是除低频段内的几个频率外, 其余均为螺旋桨转速倍频。

3.3 周期振动特点

通过研究Cessna208飞机平飞状态下飞机地板平台z方向加速度三维谱阵(图8), 可以进一步发现该飞机底板平台振动信号的规律。图中亮黄色的频谱线为飞机地板振动加速度的峰峰值, 收集突出频率为:27.91、55.83、83.75、167.5、351.25、335、418.75 Hz, 并且这些频率之比为1:2:3:6:9:12:15, 这符合周期信号谐波分析方法[5], 由此可以证明Cessna208飞机发动机造成飞机地板的振动同样是一种以周期信号为主的振动信号。根据实测的Cessna208飞机平飞时螺旋桨转速为1675 转/分钟, 该机型为三片桨叶, 通过计算获得该飞机螺旋桨基频为27.91 Hz, 三倍频率为83.75 Hz, Cessna208飞机地板振动是周期振动信号, 它以83.75 Hz作为基频, 呈倍频规律分布。

图8 平飞状态下飞机地板z方向的加速度三维频谱

4 结论

通过对Y-12固定翼双螺旋桨飞机和Cessna208单螺旋桨飞机在典型飞行状态下地板平台三方向振动加速度值的实测后, 分析了各测点的振动水平和周期振动频率得出主要结论如下:

1)飞机地板振动主要由发动机螺旋桨转动产生, 为周期性振动频率Y-12飞机螺旋桨的基频为31.25 Hz, 三倍频率为93.75 Hz, 飞机振动规律是以螺旋桨三倍频作为振动信号的基频, 并且成倍频规律分布, 是典型的周期振动信号。Cessna208飞机基频为27.91 Hz, 三倍频率为83.75 Hz, 也同样具备周期振动信号的规律。所得出的周期性振动频率, 可以为航空重力仪在结构设计上固有频率很好避开飞机周期振动频率提供有意参考。

2)飞机在三方向上的振动能量分布各有特点。Y-12飞机垂直z方向的振动能量略大于x、y方向, 而水平x、y方向振动能量除基频之外, 主要集中在周期信号的三倍频上。Cessna208飞机由于水平x、y方向振动能量除分布在基频外, 还集中在共振区域, 所以水平x、y方向振动能量要比z方向大了近一倍。两架飞机的垂直z方向振动周期信号倍频清晰, 振动能量都主要集中在300 Hz以内, 而两架飞机的水平x、y方向的振动能量分布频段较宽, 都集中在500 Hz, 不同的是Cessna208飞机x、y方向在1 000 Hz还仍分布较强的振动能量。

3)Cessna208飞机更适合搭载航空重力或重力梯度测量设备。文章分析了两架飞机两种状态下振动加速度有效值和最大值, 其中值得注意的是在1 000 Hz频段平飞状态下, Y-12飞机和Cessna208飞机z方向振动加速度有效值分别为2.485 m/s2和1.256 m/s2, 从振动加速度值上比较, Cessna208飞机更适合搭载航空重力或重力梯度测量设备的机型。同时文中也分析得出两架飞机在1 000 Hz频段内起飞状态下z方向振动加速度最大值, 分别为44.37 m/s2和11.43 m/s2, 该数据可以为将来航空重力或航空重力梯度系统飞机选型及传感器量程设计提供重要参考依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 张开东. 基于SINS_DGPS 的航空重力测量方法研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2007: 39. [本文引用:1]
[2] 屈进红, 周锡华, 李冰. 航空重力减振系统振动测试与分析[J]. 物探与化探, 2012, 36(16): 960-965. [本文引用:1]
[3] 屈进红, 周锡华, 姜作喜. 减振技术在航空重力测量系统中的应用[C]//中国地球物理学会第二十九届年会论文集, 2013. [本文引用:1]
[4] 赵增欣, 应怀樵, 刘文峰. 遥感飞机飞行中振动测试分析[C]//第九届全国振动理论及应用学术会议论文集, 2007. [本文引用:1]
[5] 刘习军, 贾启芬. 工程振动理论与测试分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004. [本文引用:2]
[6] 张思. 振动测试与分析技术[M]. 北京: 清华出版社, 1992. [本文引用:1]
[7] 胡广书. 数字信号处理理论、算法和实现[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997. [本文引用:1]
[8] 李惠彬. 振动理论与工程应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006. [本文引用:1]
[9] 王济. MATLAB在振动信号处理中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006. [本文引用:1]
[10] 殷祥超. 振动理论与测试技术[M]. 江苏: 中国矿业大学出版社, 2007. [本文引用:1]
[11] 张键. 机械故障诊断技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008. [本文引用:1]
[12] 朱石坚, 楼京俊, 何其伟, 等. 振动理论与隔振技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008. [本文引用:1]
[13] 肖立波, 任建亭, 杨海峰. 振动信号预处理方法研究及其MATLAB实现[J]. 计算机仿真, 2010, 27(8): 330-333. [本文引用:1]
[14] 李生华, 李姮. 基于 MATLAB的振动信号预处理方法[J]. 广西物理, 2008, 29(2): 36-38. [本文引用:1]