直升机加装数据中继设备的设计与分析

刘浩东，戴京涛

（海军航空大学，山东青岛 266041）

直升机空中超视距通信中继是1项复杂系统性工程，是集数据中继、数据处理、数据转发等为一体的综合性技术。它广泛应用于探测侦察、地质勘探、抢险救灾、交通管控、军事演习和航空航天等技术领域。由于直升机具有机舱内部空间狭小、机载设备安装密集、频谱应用范围宽、飞行质心变化敏感、气动外形影响较大等特点，这便使直升机处于非常恶劣的电磁环境中，且其对结构加装具有严格的约束条件[1-5]。因此，必须针对直升机加装数据中继转发系统这一工程背景开展结构性能和电磁性能技术研究，正确有效地评估其加装后的飞行结构性能和电磁兼容性能，充分发挥空中数据中继系统的设计功能。

1 直升机中继转发系统设计

由于电磁波直线传播特性和地球曲率的影响，无线数据传输距离会受到直视距离的限制，当通信节点B 位于通信节点A 视线以下的阴影区域时，电磁波不能照射到节点B。地面控制站与超视距任务设备采集数据和控制数据的传输过程就会出现该类问题，如图1所示。

图1 低空通信受视距限制示意图Fig.1 Diagram of low-altitude communication limited by line-of-sight

根据视距计算公式，当节点A 高度为H1（m），节点B 高度为H2（m），那么直视距离D0（km）可以根据下式近似计算：

以低空无人飞行器为例，设飞行高度H1=25 m、控制站高度H2=9 m，根据式（1）视距限制下的通信距离仅为32.8 km，不满足多数情况下的通信距离要求。因此，需要采用空中平台数据中继转发的方式实现超低空、超视距数据传输。利用直升机作为数据传输的中继平台，合理设置中继平台的高度和位置，可以利用空中平台的高度优势解决无线通信视距的影响，如图2所示。

图2 空中数据中继超视距通信示意图Fig.2 Diagram of beyond-the-horizon communication by aerial data relay

直升机数据中继转发站主要由L/S波段数据接收转发单元、P 波段数据接收转发单元、导航定位单元、数据综合处理及接口单元、遥测/视频数据处理记录单元、控制数据记录单元、供电单元等组成（如图3 所示）。

图3 直升机数据中继转发站部件组成图Fig.3 Component composition of helicopter data relay and forwarding station

数据中继转发站主要用于在超视距的情况下接收、解调、存储、转发任务设备和地面站的数据，保障地面站与超视距任务设备之间数据的实时接收和指令的有效下达。转发数据及指令记录在存储器中，可以在任务结束后下载，用于事后分析。数据中继转发站原理如图4所示。

图4 直升机数据中继转发站组成简图Fig.4 Composition diagram of helicopter data relay and forwarding station

2 中继转发系统加装方案设计

2.1 设计原则

为了使某型直升机数据中继转发站加改装后能够满足任务要求，确保改装工程质量，改装设计须遵循相关设计标准[6-12]和以下原则：

1）不影响该型直升机的原有功能；

2）改装后的直升机全部系统应具有良好的电磁兼容性，确保全机设备正常工作；

3）改装设备布局应合理，并与原机设备相协调，对直升机质心、气动特性的影响应尽可能小；

4）改装结构设计应在综合考虑强度、刚度和耐久性的前提下，改装方案应尽量简化结构，减少直升机的增重；

5）加装设备应便于使用和维护，具有良好的可靠性、维修性和可达性；

6）任务结束，拆除数据中继转发站后，对直升机不产生破坏性损伤；

7）改装工程实施应按照有关标准规范进行。

2.2 加装方案

1）中继转发站机内设备安装。

直升机数据中继转发站主机、工控机、电池组采用专用结构连接件、固定件、安装架，通过底座安装于机舱内，由机舱内主机电池组单独供电；GPS 天线通过结构连接件、固定件、专用安装架安装于驾驶舱前玻璃面板；断路器组安装于驾驶舱内右驾前面板。

2）数据中继转发站天线阵安装。

数据中继转发站天线阵包括天线阵1 和天线阵2。天线阵1安装于机身右侧，采用安装挂架和结构件与原机挂点相连接固定，安装挂架上配装2 套天线底座，f1MHz 天线和8 波段天线分别安装在底座上，两天线间距约1.4 m；天线阵2 安装于直升机左侧，采用安装挂架和结构件与原机挂点相连接固定，安装挂架上配装3套天线底座，其中f2MHz天线和L波段天线安装在临近的两天线底座上。8波段天线安装在距离f2MHz 天线约1.4 m 的对称天线底座上，天线阵挂架结构如图5所示，两天线阵挂架平行于机身安装。

图5 天线阵安装挂架结构图Fig.5 Construction detail of mounting rack for antenna array

3 加装设备后飞行结构性能分析

3.1 结构和强度分析

直升机数据中继转发站主机、工控机、电池组采用专用结构连接件、固定件、安装架，通过底座安装于机舱内，安装支架主体材料为LY12 角铝，规格为20 mm×20 mm×1.5 mm ，其抗拉强度为470 MPa，屈服强度325 MPa。将角铝横截面积与材料屈服强度进行乘积计算可得，该支架可承受18 769 N的力而不发生变形。固定铆钉直径为3.5 mm，材质为LY10，剪切强度为250 MPa，采用4 个铆钉固定在机体安装板上。将4个铆钉总截面积与材料剪切强度进行乘积计算可得，支架可承受9 616 N 的力而不剪切断裂。固定螺栓材质为30CrMnSiA，屈服强度为835 MPa，用4个M5 螺栓固定在机体安装板上，同铆钉计算方式可得，螺栓连接可承受65 547 N的力而不剪切断裂。设备自重8 kg，直升机最大过载按照4g计算，能产生的最大载荷为388 N。通过将支架最大可承受载荷值除以直升机产生的最大过载载荷值可得，设备安装安全系数达到48，完全符合航空件安装需要。设备安装满足其安装要求，不会对设备架原有强度构成影响[13-14]。

发射天线安装于机腹前端，按照航空标准进行加强及密封处理，使强度满足天线安装要求。另外，发射天线质量仅为0.2 kg，安装发射天线后不会对直升机原有强度构成影响。因此，直升机加装数据中继转发系统后，仍可保持原机的结构和强度[15]。

3.2 加装后质心变化分析

机体质心计算公式为：

式（2）中：ΔX为质心偏移距离；为外加载荷产生的静力矩为直升机的最小起飞质量。

已知某型直升机的最小起飞质量为12 330 kg，发射机质量为7 kg，加密机质量为0.5 kg，控制盒质量为0.5 kg，安装架等其他设备质量为0.5 kg，安装位置距离原质心坐标为2.6 m。整体安装完毕后，产生静力矩为：

将上述数据代入质心公式计算，其质心前移为：

即在安装后，质心向前移动约2 mm，最小起飞质量下，质心向后移动约2 mm。而机体质心正常容差为±16 mm，完全符合要求[16-18]。

因此改装后的直升机的质心位置影响可忽略不计。实际上，设备安装对机体质心的影响，要小于机组成员的个体体重差异所造成的影响。

3.3 气动特性分析

直升机的空气动力特性取决于直升机的空气动力布局和空气动力外形。

直升机空气阻力计算公式为：

式（3）中：ρ为机身前方空气密度，取值2 kg/m3；v是飞行速度，取最大速度240 km/h；CD是风阻系数，取值0.5；A为迎风面积。

除发射天线安装于直升机表面外，所有其他部件均安装于机身内。

对于发射天线，其迎风面积A为0.000 9 m2，因此其所受阻力为：

可见，即使直升机处于最大飞行速度情况下，发射天线所受阻力也是极其微小的，对于飞行的影响可以忽略不计[19-20]。

4 直升机加装后电磁兼容和通信性能分析

4.1 电磁兼容性能分析

直升机数据中继转发站工作频率分别为f1MHz和f2MHz，转发器接收频率为f3MHz～f4MHz，发射频率为f5MHz～f6MHz。由于工作频率与机上其他电子设备工作频率或谐波频率有部分重合，可能具有电磁不兼容的风险，因此，任务前，应使用电磁辐射综合场强仪和其他专用仪器对电磁辐射情况进行检测分析，以确保电磁兼容性[21-23]。但通过前期的多架次使用验证，证明电磁兼容性良好。

4.2 通信性能分析

由于不同频率天线受所处环境的影响，收发效果有较大差别，因此，根据已设计的天线安装结构和安装位置进行仿真分析[24-25]。直升机的天线阵安装位置均位于机身两侧靠下方专用安装架上，图6～9 选取f1和f2这2个工作频率对天线辐射性能进行仿真分析。

图6 f1 天线方向图1Fig.6 Antenna pattern 1 for f1

图7 f1 天线方向图2Fig.7 Antenna pattern 2 for f1

图9 f2 天线方向图2Fig.9 Antenna pattern 2 for f2

从天线的极坐标以及二维方向性图可知，在2 个频点下，天线各方向性图变化较小，电平起伏不大于3 dB。

L 波段3 个不同仰角下天线的二维方向性，如图10所示。

图10 L波段天线方向图Fig.10 Antenna pattern for L-band

可知，在仰角20°和10°，天线各个方向辐射特性良好，电平起伏不大于2 dB，因此，天线在机身下侧通信性能良好，满足中继要求。

5 结论

1）本文所设计空中数据中继转发站可有效满足超视距情况下任务设备和地面站之间的数据接收、解调、存储和转发，保障地面站与超视距任务设备之间数据的实时接收和指令的有效下达。

2）该空中数据中继转发站在直升机上的加装方案符合相关标准，未改变直升机原有结构，且便于使用和维护，并具有良好的可靠性、维修性和可达性。

3）通过分析直升机加装后飞行结构性能，空中数据中继转发站加装后，不会对设备架原有强度构成影响，仍可保持原机的结构和强度；改装后，对直升机的质心位置影响可忽略不计；即使直升机处于最大飞行速度情况下，发射天线所受阻力也是极其微小的，对飞行的影响可以忽略不计。

4）通过分析直升机加装后的电磁兼容和通信性能，电磁兼容性良好，天线在机身侧下方环境下，方向图变化较小，符合设计要求。