对直升飞机进行工作状态模态分析
感谢 DCTA、IAE 和巴西空军提供照片
14 Dec 2011
巴西军事研究中心为航空航天使用的方法，以在仅知输出的情况下确定模态特性 —— 在地面和空中。
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航天 | 科技
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任务
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| 放大图片 | | 动态测试小组主管 Edilson Camargo 博士（右侧）和动态测试技术人员 Domingos Strafacci（左侧）准备对装有 PULSE 系统的飞机进行飞行测试 |
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巴西空军委托航空航天科技部（DCTA） IAE 部门对多用途中型直升飞机进行的改造导致的影响进行测试和验证。这些改造包括增加搭载各种有效负荷的支架。
所进行的测试可确认和了解增加支架对直升飞机的现有已知模式的可能干扰。与其他改造相同的是，这些改造会潜在影响直升飞机的结构和空气动力学行为。
工作状态模态分析 （OMA） 是在已知输出的情况下进行模态识别的有效工具，并在地面和飞行测试期间同时用于经过改造和未经改造的直升飞机。
这些测试可确定任何极大影响直升飞机结构和空气动力学行为的关键模式，以及随后的维护和安全问题。比较经过改造和未经改造的直升飞机的分析，可确定改造导致的自然频率偏移，以及任何增加的振动级别。
| “这些测试可确定任何极大影响直升飞机结构和空气动力学行为的关键模式” |
整个测试包括对尾翼和直升飞机的增加支架进行地面和飞行工作状态模态分析。飞行测试进一步验证了经过改造的直升飞机在携带和使用增加有效负荷时的飞行曲线。所有测试都同时在未经改造和经过改造的配置上进行，以便直接了解改造的影响。仅为所有测试使用工作状态模态分析极大简化整个测试程序，从而减少昂贵的测试时间。
增加的支架可携带可变有效负荷，以携带不同武器或观察吊舱，如机关枪、管发射器吊舱或相机吊舱。增加的支架和和不同的有效负荷同时会影响飞机的结构特性，以及尾翼部分和直升飞机水平稳定器的气流。因此，需彻底测试每个配置，以寻找有效负荷模式和尾翼部分模式之间的耦合效应。
地面测试
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| 放大图片 | | 振动器测试作为非地面测试的一部分进行，以确定关键模式 |
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地面测试的范围包括对尾翼部分和增加的支架的完整模态分析。这些测试将预测和验证结构对经过改造后的直升飞机的影响，以更好了解增加的支架对直升飞机的已知现有模式的可能干扰。
最终，决定同时使用振动器和冲击力锤提供激励，其中将使用振动器对尾翼部分，同时使用冲击力锤对支架部分进行测试。这不是正常的 OMA 测试的激励结构模式，但与之前经典模态分析测试结果的比较确认了本测试方法，这显示了相关关键模式的相同结果。
飞行测试
飞行测试计划的范围是进行结构分析，并基于不同的支架配置及其使用情况，验证其对直升飞机现有飞行曲线的影响。这里，可将同一标准直升飞机配置的地面和飞行测试的结构模式更改与经过改造的直升飞机配置的飞行测试进行比较。
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| 放大图片 | | 在直升飞机尾翼部分安装了约 30 个加速度计 |
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为确保可对结果进行比较，采用了固定航班测试计划，覆盖飞行高度（2700 – 8000 ft）、速度（最高速度）和直升飞机的不同螺距、侧滚和偏航演习。这可使用整个飞行曲线验证不同的武器和观察吊舱。
通过使用不同的配置仔细检查整个飞行剖面图，可有效验证飞行曲线：
- 空支架
- 在一侧和两侧装有机关枪的支架
- 在一侧和两侧装有发射器吊舱的支架
- 装有相机吊舱的支架
同时，测试了发射火箭和使用机关枪（一侧和两侧）所产生的影响，并将其考虑在内。
结论
对经过改造或未经改造的直升飞机分析的比较确定了改造导致的自然频率偏移，以及吊装有效负荷时增加的振动级别。经过这些测试，巴西空军能够更新其飞行程序和运行剖面。
Brüel & Kjær 的 PULSE 和 PULSE OMA 还使得他们能够更好地了解可能的最佳直升飞机配置，同时保证机组人员的最佳安全。
用于现场和飞行测试计划的设备
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| 放大图片 | | 安装在驾驶舱，进行地面和飞行测试的 51 - 通道 PULSE 系统 |
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工作状态模态分析是使用了集成 PULSE LabShop、PULSE Modal Test Consultant 7753 型和 PULSE Operation Modal Analysis 软件 7760 型。该软件允许您在工作状态下，以及无法或很难使用外部施加力激励的情况下精确进行模态识别。
PULSE Modal Test Consultant 7753 型提供了以几何体为主的数据采集，并无缝传输数据到工作状态模态分析软件进行分析和验证，提供集成和使用简单的模态测试和分析系统。
Brüel & Kjær 4514 和 4520 型模态加速度计安装在直升飞机的尾翼和水平稳定器上。然后，铺设电缆到由安装在直升飞机驾驶舱的三个前端 17 通道 3560-C 型组成的 51 通道 PULSE 数据采集系统。
对于地面测试，使用了搭配功率放大器 （PA 1000） 的 LDS 永久磁体振动器 （V455）。冲击测试使用了 Brüel & Kjær 的 8207 型重型冲击力锤。
关于DCTA
航空航天科技部 （DCTA） 是巴西航空航天的国家军事研究中心，隶属于国防部巴西空军。
DCTA 成立于 1953 年，协调国防部感兴趣的航空航天领域相关的所有技术和科学活动。DCTA目前雇用了数千名非军事人员和军事人员。
航空航天协会 （Instituto de Aeronaútica e Espaço, IAE）是 DCTA 的一个部门，开发航空、航天和国防领域的项目。它还同时负责执行巴西空间任务计划。
其他阅读材料
有关测量和 OMA 结果和结论的详细信息，请参见 E. Camargo & D. Strafacci （CTA）和 N. J. Jacobsen（Brüel & Kjær）在 IMAC 2011 上发布的“改造后的直升飞机的工作状态模态分析”。
本文摘录自“DCTA 的 IAE 部门 —— 直升飞机的工作状态模态分析”。要查看完整的案例分析，请访问页面右侧的链接。
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