民用直升機(jī)可變旋翼轉(zhuǎn)速模式對(duì)適航審定的影響

尹崇 高郭池 全敬澤 楊華 劉文

摘? 要：可變旋翼轉(zhuǎn)速模式在直升機(jī)性能、噪聲環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性等方面的突出表現(xiàn)，得到了國內(nèi)外直升機(jī)設(shè)計(jì)廠商的重視。結(jié)合國內(nèi)外可變旋翼轉(zhuǎn)速技術(shù)直升機(jī)的實(shí)際使用情況，以國內(nèi)外直升機(jī)審查工作為基礎(chǔ)，歸納了可變旋翼轉(zhuǎn)速模式工作的主要方式。對(duì)該技術(shù)涉及的直升機(jī)適航規(guī)章條款進(jìn)行歸納總結(jié)，分析了對(duì)相關(guān)條款符合性的影響情況，提出了可變旋翼轉(zhuǎn)速直升機(jī)審查過程中的重點(diǎn)關(guān)注方向。為相關(guān)民航直升機(jī)的適航驗(yàn)證工作和審定工作提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)? 可變旋翼轉(zhuǎn)速? 適航? 飛行試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0010-03

Abstract： The performance of the variable rotor speed mode in the aspects of performance， noise， environmental protection and economy of the helicopter has been paid much attention by the domestic and foreign helicopter designers. Based on the practical application of the domestic and foreign helicopters with variable rotor speed technology， the main working modes of the variable rotor speed mode are summarized based on the inspection work of domestic and foreign helicopters. This paper summarizes the rules and regulations of helicopter airworthiness related to this technology， analyzes the influence on the compliance of relevant rules and regulations， and puts forward the key attention direction in the review process of helicopter with variable rotor speed. It provides reference and guidance for the airworthiness verification and certification of relevant civil aviation helicopters.

Key Words： Helicopter; Variable rotor speed; Airworthiness; Flight test

可變旋翼轉(zhuǎn)速技術(shù)由于能夠有效提升直升機(jī)性能和飛行特性，改善直升機(jī)噪聲水平，Steiner等研究了變轉(zhuǎn)速旋翼對(duì)直升機(jī)性能和配平的影響，研究表明降低轉(zhuǎn)速可明顯提升直升機(jī)性能[1]。南京航空航天大學(xué)以黑鷹直升機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)變轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)動(dòng)力學(xué)建模及仿真進(jìn)行研究探索[2]。以可變旋翼轉(zhuǎn)速技術(shù)發(fā)展而來的自適應(yīng)技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)是根據(jù)飛行狀態(tài)的變化，優(yōu)化旋翼參數(shù)，以適應(yīng)不同飛行狀態(tài)和環(huán)境的需要，最大限度地提升旋翼性能[3]。

隨著越來越多直升機(jī)制造廠商關(guān)注和重視優(yōu)化技術(shù)，國內(nèi)外已有很多直升機(jī)型號(hào)采用可變旋翼轉(zhuǎn)速模式。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)對(duì)直升機(jī)動(dòng)力裝置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、傳動(dòng)系統(tǒng)等方面提出更高的要求，同時(shí)也對(duì)民航的適航驗(yàn)證和適航審定工作帶來新的考驗(yàn)[4]。

旋翼轉(zhuǎn)速優(yōu)化的核心是根據(jù)飛行條件的不同實(shí)時(shí)調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速，按照設(shè)計(jì)好的最優(yōu)旋翼轉(zhuǎn)速飛行，降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量，增加直升機(jī)航時(shí)[5]。以《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定》為例，可變旋翼轉(zhuǎn)速模式涉及但不限于：懸停性能、爬升性能、飛行特性、動(dòng)力裝置、旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)、空速限制、飛行手冊(cè)使用限制、直升機(jī)儀表飛行適航準(zhǔn)則等規(guī)定。針對(duì)噪聲水平的影響，審定要求還涉及《航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》。根據(jù)旋翼航空器的分類，直升機(jī)在通航領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛，也因此會(huì)更多涉及適航驗(yàn)證工作。

1? 可變旋翼轉(zhuǎn)速方式

調(diào)整主旋翼轉(zhuǎn)速的方法有兩種：（1）通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子輸出軸轉(zhuǎn)速;（2）通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比。而改變傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)變旋翼轉(zhuǎn)速更符合實(shí)際[6]。為了達(dá)到旋翼轉(zhuǎn)速可變的目標(biāo)，國內(nèi)外廠商采用了多種實(shí)現(xiàn)方式，控制方式也從簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制向自動(dòng)控制方向發(fā)展。

1.1 國內(nèi)型號(hào)

某運(yùn)輸類直升機(jī)具備可變旋翼轉(zhuǎn)速模式。該模式主要分為自動(dòng)變速和手動(dòng)變速兩種方式實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)變速模式是在海平面至2000英尺壓力高度范圍內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行。該模式下，可實(shí)現(xiàn)旋翼轉(zhuǎn)速從355轉(zhuǎn)每分至360轉(zhuǎn)每分的線性變化。通過旋翼轉(zhuǎn)速的變化，適當(dāng)彌補(bǔ)由于高度增高而引起的直升機(jī)性能下降。

手動(dòng)調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速主要為區(qū)別于正常轉(zhuǎn)速模式，是通過選擇365轉(zhuǎn)每分最大旋翼轉(zhuǎn)速提升直升機(jī)性能。主要應(yīng)用于以下情況：進(jìn)行A類高架直升機(jī)平臺(tái)起飛;在2000英尺壓力高度以上，且距離地面距離10英尺以上懸停。該模式在提高直升機(jī)性能的同時(shí)，也提高了燃油流量和噪聲水平。

1.2 國外典型型號(hào)

A160/A160T“蜂鳥”直升機(jī)結(jié)合了“最佳轉(zhuǎn)速旋翼”（OSR）專利技術(shù)，采用剛性槳葉系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際飛行狀態(tài)的需要及時(shí)改變旋翼轉(zhuǎn)速，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)功率。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到150～350轉(zhuǎn)/分時(shí)，可以有效地獲得空中盤旋所需的升力，而旋翼所需的動(dòng)力減少將近一半，油耗明顯減少。隨后的A160T采用PW207D渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，在保證轉(zhuǎn)速變化要求的前提下，彌補(bǔ)了之前發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足的缺陷。合理的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得A160T最大起飛重量為2950kg，空重約為1045kg，能攜帶1045kg燃油和860kg的有效載荷。在一次試飛中它的大速度達(dá)到了260kg/h，創(chuàng)造了最大續(xù)航時(shí)間18.7h的世界紀(jì)錄。

2? 對(duì)適航審查工作的影響

2.1 操縱品質(zhì)

適航規(guī)定中包含關(guān)于操縱性和機(jī)動(dòng)性的要求范圍，即穩(wěn)定飛行和各機(jī)動(dòng)飛行階段。旋翼轉(zhuǎn)速的變化會(huì)對(duì)整個(gè)變化范圍內(nèi)的飛行階段進(jìn)行影響，適航驗(yàn)證的影響范圍也隨之?dāng)U大。旋翼轉(zhuǎn)速的變化過程對(duì)直升機(jī)的縱向和橫向靜穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響，特別是儀表飛行規(guī)則下的穩(wěn)定性驗(yàn)證，需要對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速過渡階段進(jìn)行考慮。同樣，動(dòng)穩(wěn)定性需要在最佳爬升速度至不可逾越速度間進(jìn)行驗(yàn)證，旋翼轉(zhuǎn)速的變化引起的狀態(tài)改變同樣需要進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 功能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

通常情況下，旋翼轉(zhuǎn)速可變模式會(huì)對(duì)機(jī)組的操縱方式產(chǎn)生影響?；诖耍枰紤]誤操作或此模式功能失效造成的影響。特別是A類和B類不同要求下會(huì)因不同等級(jí)的功能失效而產(chǎn)生不同的結(jié)果。

2.3 涉及的臨界點(diǎn)

臨界馬赫數(shù)：直升機(jī)進(jìn)行大速度前飛時(shí)，前行槳葉槳尖通常最先達(dá)到臨界馬赫數(shù)（槳尖后掠需另行考慮）。此臨界馬赫數(shù)可能與直升機(jī)的不可超越速度的確定相關(guān)。

2.4 快速下降狀態(tài)

當(dāng)直升機(jī)處于快速下降狀態(tài)，由于總距位置處于接近自轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與主減齒輪可能處于分離階段。此階段快速提升總距會(huì)發(fā)生不可接受的旋翼轉(zhuǎn)速下降，從而影響飛行狀態(tài)的控制。

2.5 人為因素

相對(duì)于定旋翼轉(zhuǎn)速直升機(jī)，可變旋翼轉(zhuǎn)速直升機(jī)涉及不同飛行狀態(tài)下直升機(jī)姿態(tài)反饋。駕駛艙儀表顯示也應(yīng)確定是否需要及時(shí)通知駕駛員當(dāng)前的旋翼轉(zhuǎn)速狀態(tài)。因增加旋翼可變轉(zhuǎn)速模式而對(duì)操縱裝置的改變需要進(jìn)行評(píng)估。旋翼轉(zhuǎn)速變化的過渡階段對(duì)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的性能以及故障模式下的影響也需要進(jìn)行評(píng)估。

2.6 對(duì)飛行特性的影響

對(duì)直升機(jī)飛行特性的分析通常以動(dòng)量理論和葉素理論為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建的簡(jiǎn)化的模型，對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速變化時(shí)直升機(jī)飛行特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：直升機(jī)在較低轉(zhuǎn)速無法進(jìn)行配平;另一方面，旋翼轉(zhuǎn)速過低反而有可能增加旋翼的需用功率。旋翼總距和縱橫向周期變距隨旋翼轉(zhuǎn)速的降低而加大，旋翼槳軸的縱向和橫向傾斜角隨旋翼轉(zhuǎn)速的降低而減小。

在適航驗(yàn)證工作中，通常要求驗(yàn)證整個(gè)運(yùn)行包線內(nèi)的飛行特性。與傳統(tǒng)固定旋翼轉(zhuǎn)速直升機(jī)在不同速度范圍內(nèi)的驗(yàn)證工作不同，可變旋翼轉(zhuǎn)速需要根據(jù)不同飛行階段適用的旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗(yàn)證，通常需要增加驗(yàn)證試驗(yàn)點(diǎn)。另一方面，自動(dòng)調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速直升機(jī)存在旋翼轉(zhuǎn)速過渡階段。根據(jù)前文的研究結(jié)果，旋翼轉(zhuǎn)速的變化可能引起配平能力的變化，且需用功率的變化也可能引起直升機(jī)飛行姿態(tài)的變化。因此，在飛行特性的驗(yàn)證過程中應(yīng)該充分考慮適航驗(yàn)證工作中適用的旋翼轉(zhuǎn)速以及旋翼轉(zhuǎn)速變化過程對(duì)直升機(jī)狀態(tài)的影響。

4? 結(jié)論

分析了國內(nèi)外典型了旋翼變轉(zhuǎn)速直升機(jī)案例，對(duì)飛行特性相關(guān)的規(guī)章條款以及飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證方法進(jìn)行了剖析。通過對(duì)適航審定中可能涉及的內(nèi)容進(jìn)行了分析，說明了可變旋翼轉(zhuǎn)速模式進(jìn)行適航取證過程中需要考慮的因素。證明了直升機(jī)可變旋翼模式能夠直接影響不同環(huán)境條件下直升機(jī)多個(gè)飛行階段的飛行特性。對(duì)民航直升機(jī)的適航驗(yàn)證和審定工作具備指導(dǎo)和參考價(jià)值。

隨著優(yōu)化旋翼技術(shù)的不斷發(fā)展，還出現(xiàn)了旋翼變體技術(shù)等進(jìn)一步優(yōu)化直升機(jī)性能的新技術(shù)[7]，隨著技術(shù)力的不斷發(fā)展，適航驗(yàn)證也應(yīng)繼續(xù)與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫宇.變轉(zhuǎn)速剛性旋翼載荷分析與試驗(yàn)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2016.

[2] 查倩雯.變轉(zhuǎn)速旋翼直升機(jī)動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析[D].南京航空航天大學(xué)，2018.

[3] 韓東，董晨，魏武雷，桑玉委.自適應(yīng)旋翼性能研究進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào)，2018，39（4）：27-46.

[4] 宋彥國，王煥瑾，林子國.變距變轉(zhuǎn)速多軸旋翼飛行器性能分析與試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2018，33（5）：1033-1040.

[5] 徐明，李建波，彭名華，劉鋮.基于不確定性的旋翼轉(zhuǎn)速優(yōu)化直升機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（7）：2170-2179.

[6] 姚文榮，寧景濤，張海波.基于無級(jí)變速的直升機(jī)變旋翼轉(zhuǎn)速控制模擬方法研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2017，38（2）：434-441.

[7] 韓東，林長(zhǎng)亮，李建波.旋翼變體技術(shù)對(duì)直升機(jī)性能的提升[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014，29（9）：2017-2023.