運輸類直升機A類起飛著陸過程中基于OEI訓練模式的試飛方法研究

■ 胡士媛 邱良軍/江西航空器適航審定中心 中國直升機設計研究所

0 概述

運輸類直升機按CCAR29部中A類條款要求進行適航取證，是對旋翼類航空器最為嚴格的條款。這類旋翼航空器必須按一臺發(fā)動機失效（One Engine Inoperative，OEI）時在飛行包線上的任一點（包括在起飛或著陸飛行中）考慮適宜的場地來保證安全起降。在進行A類起飛著陸的驗證試飛過程中，發(fā)動機需反復進入2.5min OEI狀態(tài)，大大縮短了發(fā)動機的使用壽命，嚴重制約了條款符合性驗證試飛的進度，也給試飛帶來了重大的經(jīng)濟壓力。

通過采用OEI訓練模式進行A類起飛著陸的試飛驗證，既能驗證A類起飛著陸試飛驗證數(shù)據(jù)的有效性，又能更好地延長發(fā)動機的使用壽命和保證直升機的飛行安全，滿足運輸類直升機適航審定驗證的要求，同時符合民用直升機經(jīng)濟性的設計理念。

該試飛驗證方法已在國內直升機飛行驗證中得到大面積推廣。

1 條款解讀和研究

1.1 直升機A類起飛著陸飛行流程研究

隨著對直升機飛行安全技術研究的逐步深入，根據(jù)民航法規(guī)CCAR29 B章的規(guī)定，民用大型運輸類直升機起飛著陸的試飛方法可分為兩類：一類為A類起飛著陸飛行，一類為B類起飛著陸飛行。其中，A類起飛著陸飛行是指直升機在起飛或著陸過程中發(fā)動機單發(fā)停車情況下也能確保安全的一種飛行規(guī)范，B類起飛著陸飛行是一種傳統(tǒng)的、常規(guī)的飛行規(guī)范?？梢?，A類起飛的飛行復雜難度、對直升機的設計要求和對飛行員的反應要求均比B類更嚴格。通過對CCAR29 B分部條款的研究，必須嚴格制定出相對安全的A類起飛著陸飛行流程。

直升機起飛過程中，需要保證飛行通道是安全的，也就是說起飛軌跡要避開回避區(qū)并始終與回避區(qū)保持一定的間隙，間隙范圍不小于5節(jié)。典型的A類起飛從懸停開始，如果到臨界決斷點（空速和高度的最小能量組合）之前一臺發(fā)動機失效，直升機必須放棄起飛安全著陸；如在臨界決斷點之后一臺發(fā)動機失效，在保證有繼續(xù)安全爬升能力的條件下，直升機繼續(xù)加速至離起飛場地上空至少10.5m處，并獲得起飛安全速度和一定的爬升速率，以起飛安全速度繼續(xù)爬升，達到起飛場地上空60m，再從安全速度加速到最佳爬升率，爬升至起飛機場上空300m。

簡言之，A類著陸飛行如在著陸決斷點或之前有一臺發(fā)動機失效，飛行員可選擇著陸或中斷；如在著陸決斷點之后有一臺發(fā)動機失效，必須要求著陸，同時確定著陸決斷點和著陸進場軌跡完全避開回避區(qū)。A類起飛著陸的飛行軌跡如圖1所示。

1.2 發(fā)動機OEI狀態(tài)變化情況研究

通過對CCAR29部B章飛行條款進行研究，運輸類直升機在A類起飛著陸和高度—速度包線（回避區(qū)）驗證試飛過程中有一臺發(fā)動機失效的情況下，發(fā)動機自動進入2.5min OEI功率狀態(tài)，如圖2所示。OEI狀態(tài)在以下幾個關鍵參數(shù)中反映：總扭矩的恢復延遲時間、總扭矩的下探深度和恢復穩(wěn)定后的總扭矩限制。

圖1 A類起飛著陸飛行軌跡示意圖

圖2 發(fā)動機OEI狀態(tài)變化歷程示意圖

2 OEI訓練模式與OEI真實狀態(tài)的對比方法

OEI訓練模式是直升機進入單發(fā)失效時，全發(fā)工作狀態(tài)下通過電調控制模式來模擬單發(fā)失效過程的輸出功率和變化情況，以達到模擬單發(fā)失效的整個飛行歷程。訓練模式下，恢復穩(wěn)定后的總扭矩限制為當前高度和溫度下單發(fā)失效后剩余發(fā)動機最低保證性能扣除安裝損失后的總扭矩，如果該總扭矩大于傳動系統(tǒng)單發(fā)失效狀態(tài)的扭矩限制，則限制為傳動系統(tǒng)OEI狀態(tài)扭矩限制，其中發(fā)動機最低保證性能可由發(fā)動機電調內置的發(fā)動機性能計算程序計算得到。

要在A類起飛著陸試飛中使用OEI訓練模式，首先需要表明OEI訓練模式的發(fā)動機動態(tài)特性比OEI真實狀態(tài)保守，為此要對OEI訓練模式的發(fā)動機動態(tài)特性進行比較試飛。

OEI真實狀態(tài)試飛方法：在目標機場的低空安全高度下，以小重量和Vy速度穩(wěn)定平飛，飛行員將關鍵發(fā)動機置為“地面慢車”狀態(tài)，另一臺發(fā)動機為OEI CT模式，然后記錄直升機的扭矩和旋翼轉速隨時間變化曲線，飛行員在發(fā)動機“地面慢車”狀態(tài)1s后才能開始操縱直升機保持其穩(wěn)定飛行。

OEI訓練模式試飛方法：在目標機場相同的低空安全高度下，以小重量和Vy速度穩(wěn)定平飛，飛行員將發(fā)動機置為訓練狀態(tài)，并處于OEI CT模式，然后記錄直升機的扭矩和旋翼轉速隨時間變化曲線，飛行員在發(fā)動機“地面慢車”狀態(tài)1s后才能開始操縱直升機保持其穩(wěn)定飛行。

OEI訓練模式比OEI真實狀態(tài)保守的判據(jù)：訓練模式的總扭矩曲線下探大于OEI真實狀態(tài)，訓練模式的旋翼轉速曲線下探大于OEI真實狀態(tài)，且恢復慢于OEI真實狀態(tài)，則可認為OEI訓練模式比OEI真實狀態(tài)保守，如圖3所示。

3 基于訓練模式的A類試飛方法安全性分析

3.1 訓練模式的A類試驗方法安全分析原理

以起飛為樣例對采用訓練模式的A類試飛方法的飛行原理、飛行關鍵點和飛行流程進行具體分析。

為了保證A類起飛的安全性，基于以上對相應條款和發(fā)動機可用功率的分析，梳理出A類起飛過程中出現(xiàn)的安全影響要素，并對其中各要素中采用的OEI模擬和OEI真實情況進行差異對比（見圖4），證明采用OEI模擬飛行得出的試驗結果更安全可靠。

試飛驗證方法分析：A類無障礙機場起飛著陸試飛的主要目的是確定A類起飛的決斷點、安全速度、最大起飛重量和起飛距離，并通過演示驗證表明制定的起飛程序合理可行。其中，起飛決斷點和起飛程序將參考國外直升機的試飛統(tǒng)計結果確定，A類最大起飛重量將根據(jù)CCAR29.67中的規(guī)定通過試飛并結合計算得到，并在調整試飛中進行摸底試飛，確定在A類最大起飛重量下起飛決斷點和起飛程序的適用性。

圖3 OEI訓練模式比OEI真實狀態(tài)保守的判據(jù)示意圖

圖4 A類起飛安全要素分解圖

因此，A類起飛試飛中主要是確定起飛重量、起飛距離以及起飛程序受到的訓練模式影響。根據(jù)AC29.51《起飛數(shù)據(jù)：總則》的b.（2），決定起飛性能的主要因素是剩余可用功率，剩余可用功率是指直升機在地面上方參考高度懸停所需功率與滿足發(fā)動機最低保證性能的可用功率之差，剩余功率最小的狀態(tài)是該密度高度下的最嚴酷狀態(tài)。所以，可以將起飛著陸距離的影響因素分為需用功率和可用功率兩個部分進行對比分析。對于可用功率，根據(jù)AC29.59起飛距離b.（7）功率和AC29.75著陸（C）（iii），發(fā)動機功率限制除密度高度影響外，還需要考慮溫度的影響?？梢圆捎脽o地效懸停需用功率作為需用功率特征值，隨密度高度變化進行換算。如此，對于給定的試驗密度高度，對整個溫度包線進行掃描，可以得到剩余功率最小的溫度點。將發(fā)動機最大輸出功率限制為該溫度點的最低保證功率（考慮安裝損失），并選取該設計點的A類起飛重量進行A類試飛，則試飛狀態(tài)的剩余功率是該密度高度下最小的，也是該密度高度下最嚴酷的，得到的起飛距離是在該試飛密度高度下最保守的，起飛程序的發(fā)動機失效后過渡過程也是最保守的，并且起飛著陸距離只隨密度高度變化，可使用密度高度對起飛距離進行規(guī)定密度高度范圍內的內插和外推。

3.2 訓練模式的A類試驗方法歷程安全性分析

訓練模式試飛方法：由于試飛現(xiàn)場的壓力高度和大氣溫度是無法改變的，根據(jù)AC29.51《起飛數(shù)據(jù)：總則》的b.（2），決定起飛性能的主要因素是剩余可用功率，所以需要通過調整起飛重量或者發(fā)動機最大功率限制來保持剩余可用功率目標值，完成A類起飛試飛。

例如，目標試飛機場預期壓力高度1900m，大氣溫度20℃（即ISA+17℃），對應密度高度為2500m。此時可選擇增大起飛重量或降低發(fā)動機最大功率限制兩種方法完成A類起飛試飛。

對于該密度高度，假設剩余可用功率最小點出現(xiàn)在常溫0℃（即ISA狀態(tài)），根據(jù)AC29.51中對剩余可用功率的定義（剩余可用功率＝無地效懸停功率-2.5min OEI應急可用功率），假設求得A類起飛重量6324kg（根據(jù)CCAR29.67 爬升：一臺發(fā)動機不工作），無地效懸停需用功率1435kW，2.5min OEI可用功率為994kW，可算得剩余可用功率為441kW。

1）增大起飛重量方法

對于試驗現(xiàn)場（密度高度1900m，大氣溫度20℃），2.5min OEI可用功率為1016kW（帶安裝損失）。通過增加起飛重量來保持剩余可用功率最小，這樣所演示的起飛程序過渡性能足夠保守，起飛距離足夠保守，滿足安全性要求。

2）降低發(fā)動機功率限制方法

對于試驗現(xiàn)場（密度高度1900m，大氣溫度20℃），A類起飛重量為6387kg，對應無地效懸停需用功率為1453kW。通過降低發(fā)動機功率達到保持剩余可用功率最小，這樣演示的起飛程序過渡性能足夠保守，起飛距離足夠保守，滿足安全性要求。

3.3 小結

上述分析表明，采用以試飛驗證來表明動態(tài)特性的訓練模式進行A類無障礙機場起飛試飛，可獲得比OEI真實狀態(tài)保守的飛行性能，從而可以減少發(fā)動機的損耗，降低試飛成本和周期風險。

4 結束語

本文總結了基于OEI訓練模式的A類起飛著陸試飛方法，首先提出了一套OEI訓練模式與OEI真實狀態(tài)的比較方法，確定了OEI訓練模式比OEI真實狀態(tài)保守的判定準則；然后基于CCAR29部咨詢通告中關于A類起飛著陸試飛方法的要求，提出了一套基于OEI訓練模式的A類起飛著陸試飛方法，示例演示表明，該試飛方法演示的起飛著陸程序過渡性能足夠保守，起飛著陸距離足夠保守，滿足適航符合性驗證的安全性要求。