直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的噴灑塔試飛驗(yàn)證

王之瑞，孫 光

(空軍試飛局第二試飛大隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150066)

0 引言

直升機(jī)飛行有時(shí)會遇到結(jié)冰氣象條件，結(jié)冰造成直升機(jī)振動、功率需求增加、旋翼升力減小、尾槳拉力減小、發(fā)動機(jī)功率不能滿足飛行要求等情況，更為嚴(yán)重的可導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車、旋翼喪失升力、尾槳喪失拉力，造成直升機(jī)墜毀事故，直接威脅直升機(jī)的飛行安全。因此，為保證結(jié)冰環(huán)境條件的飛行安全，旋翼系統(tǒng)必須具備防除冰能力。直升機(jī)技術(shù)領(lǐng)先的國家一直在研究發(fā)展先進(jìn)的直升機(jī)防除冰技術(shù)，來保證直升機(jī)全天候安全飛行的能力。如何安全高效地驗(yàn)證直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)的性能并進(jìn)行考核是一個很難的課題，國際上，常常利用地面噴灑塔來模擬特定的結(jié)冰云霧環(huán)境，開展不同結(jié)冰條件下直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的性能試驗(yàn)。加拿大、俄羅斯、美國、法國等國家，對直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的研究和試飛有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，具有完善的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)施[1,2]。目前，國內(nèi)的噴灑塔已經(jīng)投入使用，首次開展了旋翼防除冰系統(tǒng)的防除冰試驗(yàn)驗(yàn)證，創(chuàng)新性地解決了噴灑塔試驗(yàn)試飛條件確定、試飛注意事項(xiàng)制定及安全考慮等問題。

1 噴灑塔的組成與工作

噴灑塔通過產(chǎn)生不同水滴直徑、不同液態(tài)水含量的結(jié)冰云霧，模擬自然結(jié)冰云霧環(huán)境，進(jìn)行直升機(jī)在不同結(jié)冰條件下的防除冰性能試驗(yàn)，對直升機(jī)旋翼防/除冰系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，見圖1[3]。

圖1 UH-1噴灑塔試驗(yàn)

噴灑塔主要由噴霧系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、氣處理系統(tǒng)、云霧控制系統(tǒng)、噴灑塔架、云霧輸送系統(tǒng)等組成。噴霧系統(tǒng)是噴灑塔的核心系統(tǒng)，噴霧設(shè)備通過調(diào)節(jié)氣體霧化噴嘴的氣液比形成水霧，來滿足試驗(yàn)的霧滴直徑和液態(tài)含量要求。水處理系統(tǒng)主要是對水進(jìn)行純化處理，使出水電阻率達(dá)到要求，通過加熱、加壓，按一定流量送到噴霧裝置。氣處理系統(tǒng)為噴霧裝置的氣體霧化噴嘴供氣，同時(shí)對噴霧水管進(jìn)行保溫。云霧控制系統(tǒng)對噴霧供水、供氣，提供壓力、流量、溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制功能。噴灑塔架用于支撐噴霧設(shè)備和風(fēng)機(jī)陣裝置，通過升降和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同高度、不同方向的噴霧。云霧輸送系統(tǒng)主要是把云霧輸送到直升機(jī)試驗(yàn)區(qū)。噴灑塔結(jié)構(gòu)及工作原理分別如圖2、圖3所示。

圖2 噴灑塔結(jié)構(gòu)

圖3 噴灑塔工作框圖

2 噴灑塔試飛所需要的條件

噴灑塔試飛的目的是在確保安全的前提下，全面地對旋翼防/除冰系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證考核。國內(nèi)此前并無開展此類試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)條件是試驗(yàn)相關(guān)單位基于試驗(yàn)要求、目的，并經(jīng)過充分的論證、協(xié)調(diào)而提出并確定的。主要條件包括保障設(shè)備、測控設(shè)備及一些試驗(yàn)輔助設(shè)備，具體如下：

1) 正常試飛所需要的消防設(shè)備、救護(hù)設(shè)備、搶險(xiǎn)設(shè)備、通訊指揮設(shè)備；

2) 振動設(shè)備，能夠測試全機(jī)重要部位振動數(shù)值；

3) 操縱位移設(shè)備，能夠測試操縱系統(tǒng)各軸操縱余量；

4) 發(fā)動機(jī)參數(shù)傳輸設(shè)備，能夠測量并傳輸發(fā)動機(jī)參數(shù)；

5) 大氣數(shù)據(jù)測試設(shè)備，能夠測試直升機(jī)高度、速度、大氣溫度、大氣壓力；

6) 溫度測量設(shè)備、電流測試設(shè)備；

7) 遙測設(shè)備，能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、操縱位移、發(fā)動機(jī)參數(shù)、大氣數(shù)據(jù)傳到地面站，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能及時(shí)通知和指揮試飛員；

8) 監(jiān)測設(shè)備，能夠透過濃霧全面觀察到直升機(jī)試飛狀態(tài)和整機(jī)情況，發(fā)現(xiàn)直升機(jī)有損壞或危險(xiǎn)狀態(tài)及時(shí)提醒，必要時(shí)可進(jìn)行救助；

9) 飛行位置參照系統(tǒng)，能夠在濃霧狀態(tài)下參照能看得見的地標(biāo)、燈光、梯字布、旗幟等保持飛機(jī)固定相對位置。

3 噴灑塔試飛注意的事項(xiàng)

噴灑塔試驗(yàn)具有較高的危險(xiǎn)性，結(jié)冰環(huán)境不僅對直升機(jī)平臺帶來安全影響，而且對試驗(yàn)設(shè)施、人員、設(shè)備帶來極大危險(xiǎn)，需要綜合考慮安全因素，并制定相關(guān)處置預(yù)案，具體如下：

1) 直升機(jī)結(jié)冰后，旋翼性能會變差，有可能因結(jié)冰造成發(fā)動機(jī)輸出功率減小甚至停車，直升機(jī)所需功率也會因旋翼和尾槳翼型改變而大大增加，直升機(jī)操縱也隨之改變，必須密切注意發(fā)動機(jī)的變化和功率使用情況，注意直升機(jī)操縱改變情況，如有明顯危及試飛安全的情況發(fā)生，立即停止試驗(yàn)。

2) 直升機(jī)結(jié)冰后，由于不同部位的結(jié)冰質(zhì)量不同，容易造成直升機(jī)質(zhì)量分布的變化，直升機(jī)振動明顯增加，必須密切注意直升機(jī)的振動情況，特別是旋翼、尾槳甩冰時(shí)的振動情況。

3) 直升機(jī)處在濃霧之下，距離噴灑塔很近，保持直升機(jī)位置非常重要，也非常困難，試飛員必須集中精力，飛行位置參照系統(tǒng)必須完善。

4) 作好應(yīng)急預(yù)案，必要時(shí)，能夠在濃霧情況下安全著陸。

5) 直升機(jī)旋翼、尾槳甩出的冰速度很大，容易造成周圍設(shè)施的損壞和附近人員的傷亡，必須管理好試飛場地的人員及設(shè)備。

6) 在除去直升機(jī)結(jié)冰時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，防止傷害到直升機(jī)本身。

4 噴灑塔試飛安全考慮

4.1 懸停高度選擇

噴灑塔結(jié)冰試驗(yàn)為國內(nèi)直升機(jī)首次進(jìn)行，沒有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，懸停的高度也只能是靠摸索確定，根據(jù)想要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，要求懸停在不同的高度，得到不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多越好。但是從飛行安全的角度，應(yīng)該考慮幾個問題：首先，結(jié)冰條件下，直升機(jī)有可能單發(fā)停車，那么就要考慮盡量在直升機(jī)的回避區(qū)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，特別要考慮到直升機(jī)是在結(jié)冰的空氣中，重量密度比這個參數(shù)尤為重要；其次，噴灑塔噴出云霧后，座艙內(nèi)的可見度變差，飛行員要操作直升機(jī)，不能無任何參照物，需要看到地面或者其他明顯的標(biāo)示，懸停高度不能脫離可觀察的范圍。

4.2 機(jī)頭位置選擇

機(jī)頭方向的選擇，首先根據(jù)當(dāng)天的風(fēng)向、風(fēng)速(噴灑塔試驗(yàn)，要求風(fēng)速有所限制，盡量減小風(fēng)速對結(jié)冰云霧參數(shù)的影響)，充分考慮直升機(jī)懸停的風(fēng)速包線。特別是在結(jié)冰條件下，直升機(jī)的操縱性變差，包線會比正常時(shí)小很多。其次考慮場地因素，考慮除冰系統(tǒng)不能正常工作或者不能有效工作時(shí)，直升機(jī)需應(yīng)急著陸處置。出現(xiàn)這樣的情況，直升機(jī)操縱性變差，振動增加，旋翼的升力也變小，需要立即著陸，如果能飛出噴霧區(qū)小速度滑跑著陸，將是有利的。根據(jù)有限的國外數(shù)據(jù)可見，國外做結(jié)冰懸停試驗(yàn)時(shí)，機(jī)頭多數(shù)是正對向噴灑塔的。國內(nèi)現(xiàn)有的噴灑塔，如正對塔懸停，處置特情的場地范圍較小。通過分析論證，在保證結(jié)冰云霧參數(shù)和全機(jī)有效覆蓋的條件下，選擇了更加安全的機(jī)頭朝向。

4.3 懸停時(shí)的懸停位置保持

由于噴灑塔能覆蓋的范圍約30～40m，直升機(jī)懸停的最佳位置是縱向中心距塔20 m左右。旋翼距離塔的距離也就10～12 m(旋翼槳尖距離塔架)，距離非常近，如果不能準(zhǔn)確地保持懸停位置，會造成嚴(yán)重后果?？尚械姆椒ǎ阂皇窃诘孛嬗眉t線標(biāo)示明顯的位置用來參考；二是，增加指揮員，多方位觀察，實(shí)時(shí)指揮。

4.4 作為風(fēng)險(xiǎn)科目，需要充分的技術(shù)保證

一是模擬懸停狀態(tài)下的大下降率垂直著陸；二是小速度的滑跑著陸。旋翼系統(tǒng)結(jié)冰后，除冰系統(tǒng)若不能有效地工作，需要立刻著陸處置。對新型直升機(jī)，要求進(jìn)行類似科目的試飛，從技術(shù)上，從試飛角度上，放開限制，特別是滑跑限制。

5 噴灑塔試驗(yàn)結(jié)果

某型直升機(jī)進(jìn)行了國內(nèi)首次噴灑塔試飛，試驗(yàn)過程中記錄了直升機(jī)旋翼和尾槳各區(qū)溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道溫度、發(fā)動機(jī)參數(shù)、直升機(jī)振動等級等數(shù)據(jù)，還拍攝了旋翼和尾槳除冰效果圖片、風(fēng)擋玻璃除冰效果圖片等。結(jié)果表明，直升機(jī)在旋翼和尾槳結(jié)冰時(shí)所需的功率有所增加，不超過總扭矩5%；振動有所增加，但不超過一個量級。旋翼和尾槳各區(qū)溫度最高不超過30℃，最低0℃，和設(shè)計(jì)結(jié)果一致；發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道溫度符合要求；風(fēng)擋玻璃電除冰符合要求。圖4、圖5為旋翼實(shí)測溫度典型曲線，未發(fā)生溫度過熱的情況。圖6所示為噴灑塔旋翼除防冰效果，結(jié)果表明了旋翼防除冰系統(tǒng)具有良好的性能，可以有效地防除冰。

圖4 實(shí)測溫度曲線

圖5 峰值溫度曲線

圖6 旋翼除防冰效果圖

6 結(jié)論

噴灑塔試驗(yàn)為國內(nèi)直升機(jī)型號研制過程的首次應(yīng)用，噴灑塔試驗(yàn)可以安全高效地進(jìn)行直升機(jī)防除冰能力的驗(yàn)證，和自然條件下試飛相比，能大大節(jié)省財(cái)力和時(shí)間，并為直升機(jī)在真實(shí)結(jié)冰條件下試飛提供可靠的依據(jù)并積累經(jīng)驗(yàn)，對國內(nèi)直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shaw R J, Richter P. The UH-1 Helicopter Icing Flight Test Program: An Overview[R]. Cleveland: NASA Lewis Research Center, AIAA-85-0338.

[2] Airborne Icing Tankers[R].SAE ARP 5904-2007.

[3] Philadelphia R N. Analysis of a Hovering Rotor in Icing Conditions[R]. NASA/TM—2012-217126.