單發(fā)直升機發(fā)動機空中起動駕駛操縱及風(fēng)險控制技術(shù)

王道明，黃粱標，巴唐堯，劉建理，徐尤松

(1.陸軍航空兵試飛大隊，江西 景德鎮(zhèn) 333002；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

在直升機使用過程中，因發(fā)動機失效引起的飛行事件不在少數(shù)?？罩邪l(fā)動機一旦失效，如果應(yīng)急處置操縱程序或方法不當(dāng)，勢必會對直升機和機上乘員的安全造成威脅。特別對于單發(fā)直升機，由于缺少備份動力，安全裕度較多發(fā)直升機要低，留給應(yīng)急處置的時間窗口也小些。單發(fā)直升機的空中停車再起動能力是衡量型號安全性的重要指標之一。

此前國內(nèi)未曾進行過類似的單發(fā)有人直升機空中停車再起動的試驗。依據(jù)GJB 626A-2006《軍用固定翼飛機和旋翼機科研試飛風(fēng)險科目》標準中的評定方法，單發(fā)空中停車再啟動試飛屬于Ⅰ類風(fēng)險科目。相對多發(fā)直升機，單發(fā)直升機發(fā)動機空中起動試驗對飛行員的心理素質(zhì)和飛行操作技術(shù)要求極高，對試飛任務(wù)策劃的精準度，應(yīng)急處置預(yù)案的合理性和可行性，以及飛行保障條件等方面的要求也極為苛刻，任何環(huán)節(jié)的失誤，均可能會造成飛行試驗的失敗。

某型有人直升機裝單臺某渦軸發(fā)動機，為驗證該型發(fā)動機的空中停車再起動能力，策劃在某機場上空進行空中再起動飛行試驗。2019年，針對該項任務(wù)，國內(nèi)首次系統(tǒng)開展了單發(fā)空中再起動相關(guān)試飛技術(shù)和風(fēng)險控制技術(shù)的探索，包括空中重起對飛行特性影響分析，重起失敗風(fēng)險評估，基于直升機自轉(zhuǎn)特性的駕駛操縱模式設(shè)計，以及相應(yīng)的降風(fēng)險措施制定等，并在3000m高度成功實施了模擬發(fā)動機空中停車后的再起動飛行試驗，實現(xiàn)了單發(fā)直升機飛行技術(shù)領(lǐng)域的新突破。

1 單發(fā)空中起動風(fēng)險分析及程序

1.1 試驗直升機及試驗要求

某型5座單發(fā)輕型直升機，最大起飛重量1750kg，采用單旋翼帶尾槳布局，滑橇式起落架，裝備單臺最新研制的國產(chǎn)某渦軸發(fā)動機。該發(fā)動機采用數(shù)字控制加機械備份操縱控制設(shè)計，含數(shù)控系統(tǒng)EECU、發(fā)動機滑油散熱器、恒溫活門、起動發(fā)電機等配套系統(tǒng)[1]。

按照GJB243A-2004 《航空燃氣渦輪動力裝置飛行試驗規(guī)范》的規(guī)定，新研發(fā)動機設(shè)計鑒定必須通過空中起動考核。發(fā)動機空中重起飛行試驗用于檢查發(fā)動機空中起動的功能，評估發(fā)動機空中起動所需時間，驗證和考核發(fā)動機空中起動的安全性和可靠性，同時建立單發(fā)起動失效特情處置的正確程序和方法。

飛行試驗時直升機采用小重量和正常重心的配置，按正常程序開車，并進行機上系統(tǒng)和發(fā)動機特性相應(yīng)檢查后，爬升至3000m的試驗高度,以久航速度平飛進入試驗程序。采用小重量配置和中高度試飛，是為了萬一發(fā)動機空中起動試驗失敗，直升機仍然能夠?qū)嵤┫鄬Π踩淖赞D(zhuǎn)著陸處置程序。

試飛中將發(fā)動機PMS控制開關(guān)撥至“停車”位，立即再撥至“飛行”位。發(fā)動機電調(diào)將自動監(jiān)控燃氣渦輪轉(zhuǎn)速Ng轉(zhuǎn)速，當(dāng)Ng轉(zhuǎn)速下降至低于10%工作轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機應(yīng)該自動進行起動，并加速到相應(yīng)的功率狀態(tài)。發(fā)動機重新起動過程中，飛行員根據(jù)直升機的飛行情況適當(dāng)操縱總距桿，控制直升機飛行的速度和姿態(tài)。

1.2 空中起動試驗風(fēng)險評估

空中實施模擬單發(fā)失效重起試驗時，發(fā)動機動力輸出存在減弱—消失—恢復(fù)的過程，對直升機的飛行性能將產(chǎn)生非常大的影響，如果處置不得當(dāng)，可能會衍生出一系列不良的后果：

1)隨著飛行高度的增加，發(fā)動機進氣口的空氣壓力、空氣總溫逐步下降，發(fā)動機燃燒室的油氣比會偏離起動要求的設(shè)計范圍，不利于燃料的燃燒，增加重起的次數(shù)和恢復(fù)動力的時間；

2)空中起動一般發(fā)生在發(fā)動機渦輪尚處于慣性空轉(zhuǎn)的階段，與旋翼系統(tǒng)的連接未脫開，發(fā)動機起動機的輸出軸有一定轉(zhuǎn)速，起動的瞬間產(chǎn)生的沖擊扭矩較地面起動時大，啟動機的離合器工作條件較為惡劣，有可能造成發(fā)動機啟動機的損壞；

3)由于高空空氣密度小，大氣含氧量降低，用于發(fā)動機重起的起動機起動點火的條件變差，供油規(guī)律和燃燒區(qū)流場如果不適應(yīng)空氣密度的變化，將難以組織穩(wěn)定的燃燒，起動機自身可能存在無法空中起動的情況。

試驗過程中發(fā)動機無論是出現(xiàn)起動時間過長，還是高空無法起動的情況，直升機均會出現(xiàn)短時間或長時間的無動力飛行。為了避免發(fā)生直升機飛行失控或硬著陸的情況，試驗過程中需要飛行指揮和飛行員對發(fā)動機再起動的狀態(tài)進行快速判斷和飛行決策，選擇執(zhí)行相應(yīng)的飛行操作或進入應(yīng)急處置程序，以確保飛行試驗的安全。

為了將飛行試驗的風(fēng)險降為最低，制定以下降風(fēng)險的措施：

1)在地面進行發(fā)動機未停轉(zhuǎn)下的起動機起動，以檢查在發(fā)動機一定轉(zhuǎn)速下的起動過程中，起動機離合器是否能夠正常工作；

2)在地面試驗臺上充分進行模擬發(fā)動機空中再起動試驗，具有試驗合格的明確結(jié)論，并完成地面模擬空中自動再起動試驗；

3)在原型機上進行模擬空滑迫降或自轉(zhuǎn)下滑著陸科目訓(xùn)練，熟悉應(yīng)急處置操作；

4)從低高度到高高度依次進行發(fā)動機空中再起動試驗；

5)飛行試驗安排在機場跑道上空進行，云底高、能見度、風(fēng)向風(fēng)速等滿足飛行試驗及風(fēng)險處置的要求；

6)場務(wù)按Ⅰ類風(fēng)險進行保障，試驗場地做好滅火、營救設(shè)備及人員等準備；

7)飛行試驗前確認直升機無線電高度表、氣壓高度表工作正常；

8)組建試飛機組時，選擇具有著陸決斷點試飛經(jīng)驗的飛行員；

9)執(zhí)行試驗科目時，試飛指揮和試飛機組明確分工，試飛指揮把控試飛過程，提供輔助決策，正駕駛負責(zé)飛行操作和執(zhí)行發(fā)動機重起程序，副駕駛負責(zé)監(jiān)控旋翼轉(zhuǎn)速。

1.3 空中重起飛行試驗程序

為了在確保試飛安全的前提下驗證單發(fā)空中再起動的能力，對飛行試驗程序進行如下設(shè)計：

1)發(fā)動機地面模擬起動試驗，通過試驗熟悉發(fā)動機重起的操作程序，掌握重起后的發(fā)動機工作特性，了解發(fā)動機重起過程對載機及機上系統(tǒng)的影響；

2)發(fā)動機空中起動駕駛操縱設(shè)計，建立正確的飛行操縱方法，明確各種可預(yù)知飛行情況下的操作要領(lǐng)，對飛行員進行操作培訓(xùn)；

3)空中自轉(zhuǎn)著陸等飛行訓(xùn)練，正式試驗前，對飛行員進行模擬空滑迫降或自轉(zhuǎn)下滑著陸科目的訓(xùn)練，培養(yǎng)飛行員良好的風(fēng)險應(yīng)對心理素質(zhì)和處置操作的經(jīng)驗；

4)發(fā)動機空中起動實施，驗證發(fā)動機空中起動的能力和可靠性。

2 發(fā)動機地面模擬起動試驗

地面試驗的目的是通過檢查該渦軸發(fā)動機的功能、性能和可靠性，測試發(fā)動機和其附件溫度，以及動力艙內(nèi)部環(huán)境溫度分布情況，試飛載機應(yīng)急負載的大小，評估應(yīng)急電源容量是否滿足應(yīng)急供電時間要求，為發(fā)動機空中起動安全提供保障。

主要試飛項目包括：

1) 發(fā)動機地面工作參數(shù)測定及工作穩(wěn)定性檢查：在地面開車試驗，各功率狀態(tài)下穩(wěn)定工作3min；

2) 發(fā)動機地面加速性和減速性檢查：以不同提放總距時間(分別為7s、5s、3s)在飛行慢車和不離地的最大扭矩狀態(tài)之間的加減速試驗；

3) 發(fā)動機地面起動特性檢查：分別采用地面電源供電、蓄電池組供電進行起動試驗,其中包含冷起動和熱起動試驗；

4) 發(fā)動機模擬空中再起動試驗：模擬發(fā)動機空中停車后再起動的過程。

下面簡單列出發(fā)動機加、減速試驗和地面熱起動試驗情況，其他試驗結(jié)果略。

發(fā)動機加、減速試驗過程中發(fā)動機工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)超溫、超轉(zhuǎn)、超扭、喘振、熄火等故障，能夠滿足發(fā)動機起動對發(fā)動機快速操縱的要求。發(fā)動機工作曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)動機加、減速工作曲線

某渦軸發(fā)動機在環(huán)境溫度20℃～35℃左右條件下完成了多次機上蓄電池供電的“冷”態(tài)和“熱”態(tài)起動試驗。各狀態(tài)下典型的起動性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 發(fā)動機地面起動試驗特征性能數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明：發(fā)動機地面起動成功率100%，起動時間滿足指標要求；發(fā)動機地面模擬空中起動過程中，起動控制邏輯正常，成功起動到飛行狀態(tài)，未出現(xiàn)超溫、懸掛、喘振現(xiàn)象，起動時間為41s，滿足指標要求。

3 發(fā)動機空中起動飛行操縱設(shè)計

3.1 飛行操縱

按照飛行試驗要求，直升機以最有利速度爬升到高度3000m,在試驗空域正常飛行。首先檢查各系統(tǒng)的工作情況，保證機內(nèi)機外通訊正常，速度、高度、姿態(tài)、發(fā)動機參數(shù)等數(shù)據(jù)正常。然后進入發(fā)動機空中起動試驗準備，再次確認主駕、副駕任務(wù)分工。其中主駕駛員負責(zé)與地面指揮的聯(lián)絡(luò)以及試驗直升機的飛行操縱；副駕駛負責(zé)發(fā)動機起動操作，并監(jiān)控旋翼、發(fā)動機參數(shù)及高度等，輔助主駕駛飛行操作。

正式開始發(fā)動機空中起動前，主駕駛員將直升機飛行速度控制在最有利速度(約120km/h)附近，調(diào)整好航向和姿態(tài)，確定所處空域及機場位置，向地面指揮報告準備進行空中起動試驗。得到地面飛行指揮許可后，副駕駛將PMS開關(guān)撥至“停車”位，立即再撥至“飛行”位。當(dāng)發(fā)動機Ng轉(zhuǎn)速下降到低于10%正常轉(zhuǎn)速后，電調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)該完成發(fā)動機空中停車判斷，并自動進入重新起動程序；起動成功后，發(fā)動機應(yīng)加速到相應(yīng)飛行所需的功率狀態(tài)。

依據(jù)發(fā)動機臺架試驗以及地面模擬起動試驗結(jié)果，發(fā)動機重起動到正常運轉(zhuǎn)的時間大約為40s左右?？紤]3000m高空試驗環(huán)境下的空氣密度、空氣溫度和氧含量等因素，預(yù)估空中起動時間約在1min左右。因此，當(dāng)副駕駛開始操作發(fā)動機重起時，保持通訊通暢，主駕駛立即將總距放置到底，使試驗直升機進入自轉(zhuǎn)狀態(tài)。自轉(zhuǎn)過程中通過適當(dāng)操縱來調(diào)整直升機航向、姿態(tài)、下滑率和飛行速度，保持旋翼轉(zhuǎn)速在正常轉(zhuǎn)速的95%～103%范圍內(nèi)，飛行速度在130km/h到150km/h之間，下降率不大于7m/s。副駕駛在操作發(fā)動機重起的同時，負責(zé)監(jiān)控發(fā)動機轉(zhuǎn)速、旋翼轉(zhuǎn)速指示、飛行高度、航姿、航向、航速等數(shù)據(jù)，為主駕駛提供輔助飛行數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)動機Ng轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速的60%(綠區(qū))時，即刻提醒主駕駛。主駕駛收到提醒后緩慢上提總距，操縱駕駛桿和腳蹬，直升機退出自轉(zhuǎn)下滑，進入平飛狀態(tài)，并報告地面指揮試驗完成。

由于高空環(huán)境較地面更惡劣，發(fā)動機起動機也存在失效的概率，發(fā)動機高空重起存在多次起動方能成功或無法實現(xiàn)重起等情況。試驗中，發(fā)動機多次重起次數(shù)不允許超過3次。在3次連續(xù)重起操作的過程中，主、副駕駛員時刻觀察直升機飛行參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)，嚴格按照預(yù)先設(shè)置的航路控制直升機飛行，并向飛行指揮通報情況，一旦連續(xù)3次起動失敗，則進入應(yīng)急處置程序：

1) 保持旋翼轉(zhuǎn)速在95%～105%內(nèi)；

2) 指示空速控制在Vy穩(wěn)定自轉(zhuǎn)下滑，在最后進近過程中盡可能迎風(fēng)飛行；

3) 在離地≌21m高度，操縱駕駛桿拉平，控制旋翼轉(zhuǎn)速不超過105%；

4) 保持抬頭姿態(tài)，在離地6～7.6m高度上逐漸增加總距以降低下降率和前飛速度；

5) 操縱駕駛桿稍微前推以適應(yīng)著陸姿態(tài)，調(diào)整腳蹬消除側(cè)滑趨勢；

6) 繼續(xù)增加總距，減小下降率，進行滑行著陸；

7) 接地后使用駕駛桿、總距桿、腳蹬控制直升機滑行；

8) 滑行停止后，將總距桿全放下；

9)旋翼轉(zhuǎn)速40%以下使用旋翼剎車。

依據(jù)之前同型號直升機下滑自轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù)，旋翼轉(zhuǎn)速控制在95%～105%正常轉(zhuǎn)速之間，3000m高度自轉(zhuǎn)到機場并著陸，下滑距離需20km左右，因此，發(fā)動機重起試驗空域可參照此數(shù)據(jù)合理選擇。

3.2 操縱要領(lǐng)

發(fā)動機重起試驗時，主駕駛應(yīng)特別注意下放總距的時機，如果操作執(zhí)行過晚，由于失去動力，會造成旋翼轉(zhuǎn)速過低，難以進入安全自轉(zhuǎn)飛行狀態(tài)。

如果執(zhí)行自轉(zhuǎn)著陸程序，直升機接近地面前，需提總距增加旋翼拉力降低下降率和前飛速度。要掌握好飛行高度和提距的速度，并配合駕駛桿操縱，防止出現(xiàn)直升機接地速度過大或姿態(tài)不正的情況。

接地后需柔和下放總距，避免出現(xiàn)槳葉向下?lián)]舞過大而損壞或與機身碰撞。

由于該型直升機為雙駕駛員，因此在遇到突發(fā)情況時，主、副駕駛應(yīng)按分工職責(zé)，密切協(xié)同。如在自轉(zhuǎn)著陸的過程中，主駕駛員的注意力應(yīng)主要放在對直升機姿態(tài)的保持，著陸場地的選擇，飛行速度和下降率的修正，接地時直升機有無傾斜，航向有無交叉等方面；副駕駛則應(yīng)多觀察直升機各儀表的指示，如速度、高度、旋翼轉(zhuǎn)速等，提醒主駕駛及時操縱和修正。

地面指揮應(yīng)時刻了解試驗情況，提供飛行輔助決策。

飛行機組在執(zhí)行試驗前應(yīng)完成發(fā)動機重起的相關(guān)操作培訓(xùn)，熟知試飛風(fēng)險及應(yīng)急處置程序，并開展試驗前的空中自轉(zhuǎn)及著陸訓(xùn)練。

4 空中自轉(zhuǎn)及著陸訓(xùn)練

該渦軸發(fā)動機為新研發(fā)動機。發(fā)動機空中起動意味直升機需要無動力飛行一段時間。進行空中自轉(zhuǎn)及著陸能夠提升飛行員對自轉(zhuǎn)特性的理解，最大程度保障試驗安全。訓(xùn)練期間共完成了400m～3000m不同高度的自轉(zhuǎn)下滑及著陸試驗。速度130km/h，飛行員降旋翼至于低功率位置，進行自轉(zhuǎn)下滑飛行試驗。機載測試系統(tǒng)記錄了直升機參數(shù)變化過程，得到直升機旋翼轉(zhuǎn)速情況見圖2，發(fā)動機下滑過程中的工作參數(shù)見圖3。

圖2 自轉(zhuǎn)下滑過程旋翼轉(zhuǎn)速情況

圖3 下滑過程中發(fā)動機工作參數(shù)變化

直升機在自轉(zhuǎn)下滑狀態(tài)中，發(fā)動機在飛行和慢車狀態(tài)均可以保持空載狀態(tài)工作穩(wěn)定。測定兩種空載狀態(tài)進入、穩(wěn)定及退出過程中的工作參數(shù)，得出典型自轉(zhuǎn)下滑過程工作參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機飛行狀態(tài)的典型自轉(zhuǎn)下滑過程工作參數(shù)

5 發(fā)動機空中起動實施

按GJB 626A-2006《軍用固定翼飛機和旋翼機科研試飛風(fēng)險科目》，發(fā)動機空中起動屬Ⅰ類風(fēng)險科目。場站進行了充分準備，試飛前一天對試飛科目內(nèi)容、保障條件及可能出現(xiàn)的故障及應(yīng)急處置措施進行了研討與協(xié)調(diào)；經(jīng)過廠所軍充分的技術(shù)交流以及近期的專項科目訓(xùn)練，該渦軸發(fā)動機已滿足單發(fā)直升機3000m發(fā)動機空中起動的實施條件。

9月6日上午8：30，起飛前給直升機加油，全機重量1600kg，并對直升機進行詳細檢查，特別是滑撬、發(fā)動機相關(guān)部件，確認直升機狀態(tài)良好，試飛機場空域保持凈空，直升機可以進行發(fā)動機空中重起試飛任務(wù)。9：00，主駕駛王道明、副駕駛劉建禮按正常程序檢查直升機，坐上駕駛室，收聽氣象，風(fēng)速風(fēng)向，報告指揮，按程序開車。直升機各系統(tǒng)工作正常，懸停起飛，執(zhí)行一個常規(guī)起落航線飛行檢查直升機工作情況。調(diào)整速度至130km/h，以最佳爬升速度進行爬升，在9：25分到達高度3000m。再度進行2次迫降訓(xùn)練，觀察直升機工作情況和高空氣流情況。模擬訓(xùn)練結(jié)果表明直升機工作正常，氣流相對穩(wěn)定，可以進行發(fā)動機重新起動操作，由副駕監(jiān)控并報告Ng變化的過程。10時18分主駕駛報告塔臺指揮，準備執(zhí)行發(fā)動機重新起動。主駕駛將直升機速度調(diào)整至120km/h，副駕駛將PMS開關(guān)撥至“停車”立即再撥至“飛行”時，發(fā)動機先熄火，“發(fā)動機停車”、“旋翼轉(zhuǎn)速低”警告燈亮，直升機右偏。主駕駛立即將總距放低位，直升機進入快速自轉(zhuǎn)下滑。當(dāng)Ng下降至10%時，發(fā)動機自動執(zhí)行再起動，“發(fā)動機停車”，主駕駛?cè)岷蜕咸峥偩鄺U，改出當(dāng)前下滑狀態(tài)。10時19分，發(fā)動機3000m起動成功。

發(fā)動機空中起動時間為31s，得到起動過程的工作參數(shù)見圖4。

從圖4中得出，氣壓高度從3522m下降到 3266m，環(huán)境溫度從11℃上升到13℃，直升機飛行速度為130～140km/h(重新點火到Np恢復(fù)100%)，起動T45最高為770℃。

發(fā)動機空中再起動歷程分析見表3。

表3 渦軸-XX發(fā)動機空中再起動歷程數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明：發(fā)動機空中起動成功，起動控制邏輯正常，成功起動到飛行狀態(tài)(Ng=71.1%)對應(yīng)高度為3259m；起動過程中發(fā)動機T45溫度最高為770℃，未出現(xiàn)超溫、懸掛、喘振現(xiàn)象；起動時間為31s，滿足不超過50s的指標要求。

6 結(jié)論及意義

本次試驗發(fā)動機空中起動成功，表明該渦軸發(fā)動機空中起動功能正常，性能滿足使用要求，代表直升機發(fā)動機空中起動飛行技術(shù)新的突破。本文提出的基于直升機自轉(zhuǎn)特性進行發(fā)動機空中重起駕駛操縱和風(fēng)險控制的技術(shù)能為類似風(fēng)險科目的實施提供借鑒意義。