直升機H-V包線拓展飛行試驗方法研究

王　勇，孫　光，陳永祿

(1.中國人民解放軍95966部隊，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

直升機H-V包線拓展飛行試驗方法研究

王勇1，孫光1，陳永祿2

(1.中國人民解放軍95966部隊，黑龍江 哈爾濱 150060； 2.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

摘要：直升機H-V包線是直升機在發(fā)動機失效后安全著陸或成功復飛的基礎(chǔ)條件。指出了影響H-V包線范圍的主要因素是重量相對密度比(W/σ)，提出了直升機H-V包線拓展試飛方法，針對某型機進行了H-V包線下邊界拓展和上邊界拓展飛行試驗，分析飛行試驗結(jié)果，給出了H-V包線圖，并明確了H-V包線拓展飛行關(guān)鍵技術(shù)和注意事項，有助于其他直升機H-V包線拓展飛行試驗的順利開展。

關(guān)鍵詞：H-V包線；飛行試驗；邊界拓展

直升機在飛行中一旦出現(xiàn)發(fā)動機停車，可以利用勢能轉(zhuǎn)化成動能進入自轉(zhuǎn)下滑著陸，這是直升機特有的性能。但理論和實際都證明，不是所有飛行狀態(tài)下的發(fā)動機失效，直升機都能實現(xiàn)自轉(zhuǎn)下滑、拉平緩沖安全著陸。直升機發(fā)動機失效后能否安全自轉(zhuǎn)著陸與外界環(huán)境條件、飛行員駕駛技術(shù)及發(fā)動機失效時直升機飛行狀態(tài)有關(guān)，還與機型及飛行地域有關(guān)。直升機在一定高度、速度區(qū)域，無動力或關(guān)鍵發(fā)動機失效后，即使能夠進入自轉(zhuǎn)，飛行員也來不及操縱和調(diào)整直升機達到安全的接地速度和下降率，直升機將以大下降率觸地或超過起落架能夠承受的速度接地，危機飛行安全。為避免上述情況，各型直升機都有H-V包線，用于提醒飛行員盡量避免在該包線內(nèi)飛行。

H-V包線定義了由外界環(huán)境條件和直升機的飛行狀態(tài)組成的不安全區(qū)域，在重量相對密度比(W/σ)一定的情況下，H-V包線一般由發(fā)動機失效時直升機的高度和速度組合來描述，如圖1所示。其上邊界是根據(jù)自轉(zhuǎn)特性確定的，下邊界是由著陸裝置確定的[1]。一般情況下，上邊界為直升機自轉(zhuǎn)條件下，其接地速度等于或小于著陸裝置允許下沉速度；下邊界為不能進入自轉(zhuǎn)條件下，接地速度等于或小于著陸裝置允許下沉速度。

圖1　H-V包線示意圖

1直升機H-V包線拓展試飛方法設(shè)計與分析

直升機H-V包線拓展試驗是所有性能試驗項目中可預測性最低的，并且直升機的氣動特性、主旋翼系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、槳盤載荷、直升機總重、密度高度以及飛行員的駕駛技術(shù)等都對H-V包線范圍具有重大影響。對于一架特定的直升機，為確保試驗的準確性及試飛數(shù)據(jù)的一致性，應確定一致的重量相對密度比(W/σ)。在開展飛行試驗之前，應進行H-V包線理論計算，得到待飛行驗證的H-V包線。直升機H-V包線拓展試飛方法總體設(shè)計流程如圖2所示。主要包括H-V包線拓展準備試驗、直升機H-V包線上邊界的確定試驗及直升機H-V包線下邊界的確定試驗。

圖2試飛方法總體設(shè)計流程

1.1準備試驗

直升機H-V包線拓展準備試驗包括發(fā)動機失效特性響應試驗、OEI(單臺發(fā)動機失效)飛行性能試驗、發(fā)動機失效最佳俯沖角度選擇試驗以及拉平效能試驗[2]。試驗方法如下：

(1)發(fā)動機失效特性響應試驗主要是在高空進行，用于檢查在不同的速度下，當發(fā)動機失效以后，直升機的響應情況，同時使飛行員熟悉發(fā)動機失效的瞬間響應，以便采取相應的處置措施。發(fā)動機失效后，由于旋翼反扭矩的作用，直升機出現(xiàn)瞬間偏航的現(xiàn)象，飛行員要注意進行航向修正；

(2)OEI(單臺發(fā)動機失效)飛行性能試驗主要是為多發(fā)直升機的H-V包線試飛做準備，在該項試驗中要在單發(fā)最大連續(xù)功率下，通過試飛得到單發(fā)失效最小速度VminOEI,最佳下滑速度VTOSS以及單發(fā)失效最大速度Vy；

(3)發(fā)動機失效最佳俯沖角度選擇試驗是為了實現(xiàn)在發(fā)動機失效后，選擇一個最佳的俯沖角度，以最小的高度損失，俯沖至VTOSS；

(4)拉平效能試驗主要是在VTOSS下，通過拉桿，使直升機拉平至15°仰角，最終使直升機水平和垂直速度減小，水平速度低于起落架強度條件限制值，垂直速度低于直升機結(jié)構(gòu)強度條件限制值，在接地前，推桿擺平姿態(tài)，提總距，減小下降率，緩沖著陸。

1.2下邊界的確定

直升機H-V下邊界包線拓展從低高度懸停開始，每次只改變速度或高度一個變量，以一定的步長增加高度或速度，采用鋸齒狀爬升的方法進行下邊界的包線拓展試飛。圖3所示為直升機H-V包線下邊界試飛動作點設(shè)計。

圖3　H-V下邊界包線拓展示意圖

具體試飛方法設(shè)計如下：

(1)直升機從低懸停高度，逐步小幅向高懸停高度(3ft/5ft/7ft)拓展，將關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位，放總距(防止剩余發(fā)動機進入應急功率)，落地之前，柔和提總距，減小下降率[3]。飛行員根據(jù)接地姿態(tài)、垂向速度及發(fā)動機響應給出庫珀-哈勃(HQR)等級評價并決定是否繼續(xù)提升高度進行包線拓展；

(2)在可接受的懸停高度(7ft)的基礎(chǔ)上，增速至某一速度點(10kts)，穩(wěn)定后，將關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位，飛行員根據(jù)接地姿態(tài)、垂向速度及發(fā)動機響應給出HQR等級評定并決定是否繼續(xù)增加速度進行包線拓展；

(3)如此，采用鋸齒狀爬升、加速的方法，在高度和速度之間一次只改變一個變量，直至在某一速度點可以連續(xù)上升高度，并且較容易著陸，則H-V下邊界包線拓展試飛結(jié)束。

1.3上邊界的確定

進行直升機H-V上邊界包線拓展，需要依據(jù)準備試驗中得到的高度損失數(shù)據(jù)，來確定試驗點的起始位置，試驗起始高度為準備試驗中高度損失值的2倍。圖4所示為直升機H-V包線上邊界試飛動作點設(shè)計。

圖4　H-V上邊界包線拓展示意圖

具體試飛方法設(shè)計如下：

(1)直升機懸停，懸停高度為前期準備試驗中高度損失值的2倍(500ft)，將關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位，等待1s，放距，推桿，增速，并在速度到達Vtoss之前開始拉平，使直升機以Vtoss的速度飛過俯沖至拉平軌跡的低點，恢復發(fā)動機，安全飛離，期間注意觀察Vtoss時的離地高度(300ft)；

(2)直升機懸停，懸停高度(350ft)，計算方法為：懸停高度等于上一懸停點高度減去俯沖至Vtoss時的離地高度的一半，重復上一點的動作，得到新的Vtoss時的離地高度；

(3)重復上述動作，直至離地高度逼近15ft，或者飛行員認為不能再繼續(xù)下降，記錄最后一次的懸停高度(150ft)；

(4)以最后一次的懸停高度(150ft)為基準，增加速度，在某一速度點(10kts)上，將關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位，等待1s，放距，推桿，增速，并在速度到達Vtoss之前開始拉平，使直升機以Vtoss的速度飛過俯沖至拉平軌跡的低點，恢復發(fā)動機，安全飛離，期間注意觀察Vtoss時的離地高度(40ft)；

(5)在該速度點(10kts)上，離地高度130ft(150-(40/2)),重復上一動作，直至離地高度逼近15ft，或者飛行員認為不能再繼續(xù)下降，然后在此高度上增加速度；

(6)重復上述動作，以鋸齒狀拓展的方法，最終使速度、高度與回避區(qū)低點試飛的速度、高度值重合，則H-V上邊界包線拓展試飛結(jié)束。

2直升機H-V包線拓展試飛結(jié)果分析及關(guān)鍵技術(shù)

2.1試飛結(jié)果分析

依據(jù)設(shè)計的H-V包線拓展試飛方法，采取循序漸進的方式，進行了H-V包線拓展試飛。飛行試驗在低海拔機場進行，試驗過程中，嚴格控制重量相對密度比(W/σ)，測試并記錄了以下關(guān)鍵參數(shù)：直升機接地時的垂直速度、接地時的水平速度、著陸后的滑跑距離，飛行員給出HQR等級評價。通過試飛得到的H-V包線如圖5所示。

圖5　H-V包線拓展試飛結(jié)果

*注：大氣溫度：20℃，重量相對密度比：2167kg

2.2試飛關(guān)鍵技術(shù)

由于H-V包線拓展飛行試驗具有極大的風險，進行H-V包線拓展飛行試驗科目時，必須采取小步長逐步逼近、返回檢查的原則[4]。開展該項目試飛的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)進行H-V包線上邊界拓展試飛時，為確保試驗數(shù)據(jù)有效及試飛安全，需從前期準備試驗中得到的高度損失值的2倍開始試驗，每個拓展點的高度等于上一試驗點高度減去俯沖至Vtoss時離地高度的一半所得到的高度值，逐步降低試驗初始高度，逼近H-V包線上邊界；

(2)從懸?；蛐∷俣?30kts)，將關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位后，放距、頂桿增速過程中，直升機通常容易進入渦環(huán)狀態(tài)，俯仰和橫滾姿態(tài)變化大，直升機振動增加，操縱負荷增大，此時要保持好直升機姿態(tài)，迅速增速脫離渦環(huán)狀態(tài)[5]；

(3)對多發(fā)直升機，在進行發(fā)動機失效特性和H-V包線上邊界拓展試飛時，關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位后，要迅速增加總距至單發(fā)最大連續(xù)功率狀態(tài)并保持，使高度損失降為最小，為進入下一試驗點提供準確數(shù)據(jù)；

(4)對多發(fā)直升機， H-V包線下邊界拓展試飛的原則是依據(jù)發(fā)動機扭矩限制、垂直接地速度及飛行員的感覺決定是否繼續(xù)進行H-V包線下邊界拓展；

(5)對于橇式直升機，進行H-V包線下邊界拓展試飛時，在關(guān)鍵發(fā)動機油門放至慢車位后，接地滑行時，不要立刻將總距放到底，否則容易引起直升機航向偏轉(zhuǎn)或橫向側(cè)移，偏出跑道。

3結(jié)論

直升機H-V包線拓展飛行試驗是直升機適航取證的必需環(huán)節(jié)，本文針對某型直升機進行了H-V包線上、下邊界拓展試飛，所設(shè)計的直升機H-V包線拓展飛行試驗方法安全、可靠，能夠更加有效地驗證理論H-V包線的正確性，得到的H-V包線可為該型直升機的安全飛行提供依據(jù)和保障，也為其他直升機H-V包線拓展飛行試驗的開展提供了參考和借鑒。

參考文獻

[1] Johnson W.Helicopter Optimal Descent and Landing after Power Loss[R].NASA TM73244,1977.

[2] 高正,陳仁良.直升機飛行動力學[M].北京：科學出版社，2003：76-77.

[3] 金長江，范立欽.飛機飛行動力學 飛機飛行性能計算[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990：59-62.

[4] Lee A Y,Bryson A E,Hindson W S.Optimal Landing of A Helicopter in Autorotation[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1988,11(1):7-12.

[5] John T B.Survey of Numerical Methods for Trajectory Optimization[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1998,21(2):193-207.

[責任編輯、校對：李琳]

Research into Helicopter H-V Envelope Expansion Flight Test Method

WANGYong1,SUNGuang1,CHENYong-lu2

(1.Unit 95966 of PLA,Harbin 150060,China; 2.China Flight Test Establishment,Xi′an 710089,China)

Abstract：The H-V envelope is the basic condition for the safe landing or successful miss-approach of helicopters after the failure of engine.The paper points out the main factor affecting H-V envelope,namely relative density in weight ratio(W/σ),puts forward the helicopter H-V envelope expansion flight method,and uses a certain type of helicopters to conduct H-V boundary expansion flight test. At last,the paper analyzes the flight test results,presents the H-V package diagram,and clarifies the key technologies and the precautions of H-V envelope expansion flight,which is helpful for the smooth implementation of H-V envelope expansion flight tests of other types of helicopters.

Key words：H-V envelope;flight test;boundary expansion

收稿日期：2016-04-20

作者簡介：王勇(1981-),男，遼寧海城人，一級飛行員，從事直升機試飛與指揮研究。

中圖分類號：V217；V275.1

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)03-0021-04