某型直升機(jī)重量重心包線拓展試飛技術(shù)

王之瑞，孫 光，陸永杰，張 凱，劉昊陽

(1.中國人民解放軍95966部隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150066; 2.中國人民解放軍95960部隊(duì)，陜西 西安 710089;3.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001; 4.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱，150066)

0 引言

直升機(jī)的重心限制是直升機(jī)的重要限制之一，直接影響直升機(jī)的飛行安全。一旦直升機(jī)重心超出限制標(biāo)準(zhǔn)，將會導(dǎo)致直升機(jī)失去平衡，進(jìn)而引發(fā)飛行事故[1]。批生產(chǎn)的直升機(jī)出現(xiàn)重心超限問題，會導(dǎo)致強(qiáng)制推遲直升機(jī)的交付試飛，進(jìn)而推遲整機(jī)的交付時(shí)間，不僅會浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，還將對飛行安全產(chǎn)生惡劣影響。

1 某型機(jī)重心超限問題

某型機(jī)小批投產(chǎn)架次稱重后對空機(jī)重量進(jìn)行折算，發(fā)現(xiàn)在某個(gè)飛行任務(wù)剖面中有90%的架次存在縱向重心靠后的問題，有40%的架次存在橫向重心靠右的問題，如圖1、圖2所示。

針對批產(chǎn)機(jī)稱重折算結(jié)果與合格判據(jù)偏離，不滿足全機(jī)重心包線限制的問題，借鑒其他型號經(jīng)驗(yàn)，對重量重心包線進(jìn)行拓展調(diào)整?？v向重心小包線后極限后移0.027m，橫向重心右極限右移0.005m，使該任務(wù)剖面的重量重心滿足拓展后的重量重心包線要求(如圖3、圖4)，并對此重量重心拓展進(jìn)行可實(shí)施性分析和試飛驗(yàn)證。

圖2 某型機(jī)橫向重心示意圖

圖3 拓展后的縱向重心示意圖

圖4 拓展后的橫向重心示意圖

2 重量重心拓展可實(shí)施性分析

2.1 重量重心拓展對載荷的影響

根據(jù)直升機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和機(jī)身風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在兩種典型重量下選取對壽命影響較明顯的懸停、前飛、轉(zhuǎn)彎、俯沖拉起等狀態(tài)，計(jì)算重量重心處于拓展?fàn)顟B(tài)的載荷，與原重量重心包線極限位置狀態(tài)載荷進(jìn)行建模對比分析。直升機(jī)載荷計(jì)算狀態(tài)如表1所示。

載荷對比結(jié)果如圖5-圖10所示。由載荷對比結(jié)果可以看出，重量重心包線拓展后，個(gè)別小載荷狀態(tài)載荷略有增加，大載荷狀態(tài)載荷均有明顯下降。綜合分析可得結(jié)論：重心處于拓展區(qū)域時(shí)載荷整體量級變小，重心包線拓展后的載荷未超出原載荷譜范圍，不影響壽命評估結(jié)論。

表1 直升機(jī)載荷計(jì)算狀態(tài)

圖5 小重量狀態(tài)槳轂彎矩對比

圖6 大重量狀態(tài)槳轂彎矩對比

圖7 小重量狀態(tài)拉桿動載對比

圖8 大重量狀態(tài)拉桿動載對比

2.2 重量重心拓展對飛行品質(zhì)的影響

為確保直升機(jī)重量重心包線調(diào)整后的安全性和舒適性，在直升機(jī)大重量、小重量狀態(tài)下，分別對重量重心包線調(diào)整前后的狀態(tài)進(jìn)行了分析，主要包括平衡性和動穩(wěn)定性兩個(gè)方面。

圖9 小重量狀態(tài)助力器動載對比

圖10 大重量狀態(tài)助力器動載對比

重心包線調(diào)整前后的懸停、前飛、側(cè)后飛平衡特性理論計(jì)算結(jié)果如圖11-圖19所示。

圖11 懸停、平飛總距對比圖

圖12 懸停、平飛縱向操縱對比圖

圖13 懸停、平飛橫向操縱對比圖

圖14 懸停、平飛尾槳距對比圖

圖15 懸停、平飛俯仰角對比圖

圖16 懸停、平飛滾轉(zhuǎn)角對比圖

重量重心包線拓展前后，大重量、小重量后重心動穩(wěn)定性變化不大，如圖20-圖22所示。通過動穩(wěn)定性分析可以看到，接通飛控系統(tǒng)時(shí)，全機(jī)懸停及前飛動穩(wěn)定性與調(diào)整前相當(dāng)，在數(shù)值上略有下降，飛行品質(zhì)等級未發(fā)生變化，滿足飛行品質(zhì)規(guī)范要求。

圖17 右側(cè)飛操縱量對比圖

圖18 左側(cè)飛操縱量對比圖

圖19 后飛操縱量對比圖

3 試飛驗(yàn)證

選取重量重心偏移較為嚴(yán)重的某架該型直升機(jī)，根據(jù)重量重心包線拓展需要，開展典型科目試飛驗(yàn)證。試飛科目包括平衡性試飛和動穩(wěn)定性試飛。

平衡性試飛包括懸停、側(cè)后飛、前飛等科目；動穩(wěn)定性試飛為懸停和前飛狀態(tài)接通飛控系統(tǒng)脈沖操縱科目，重量重心均為調(diào)整后的狀態(tài)。

圖20 懸停動穩(wěn)定性

圖21 前飛縱向動穩(wěn)定性

圖22 前飛橫向動穩(wěn)定性

3.1 平衡性試飛

直升機(jī)懸停、前飛和側(cè)后飛平衡性試飛方法及結(jié)果如下文所示。各飛行狀態(tài)操縱量均有10%以上的余量，滾轉(zhuǎn)姿態(tài)在合理范圍，直升機(jī)平衡特性滿足《某型直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范》要求。

3.1.1 懸停平衡性試飛

試飛狀態(tài)：在以機(jī)輪離地高度20m～40m穩(wěn)定懸停1min。

試飛要求：給出總距操縱、縱向操縱、航向操縱、橫向操縱、俯仰角、傾斜角和偏航角的平衡結(jié)果。

試飛結(jié)果如圖23所示，懸停時(shí)，直升機(jī)平穩(wěn)性較好。

圖23 懸停操縱量對比圖

3.1.2 前飛平衡性試飛

試飛狀態(tài)：平飛速度80km/h～260km/h，每隔20km/h測試一個(gè)速度點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn)保持穩(wěn)定平飛1min。

試飛要求：給出總距操縱、縱向操縱、航向操縱、橫向操縱、俯仰角、傾斜角和偏航角的平衡結(jié)果。

試飛結(jié)果如圖24、圖25所示。前飛時(shí)，隨速度的增大，縱向操縱增加，俯仰角低頭姿態(tài)增大，且縱向操縱對速度的變化是平滑的，基本上是線性的，其局部梯度是穩(wěn)定的，俯仰角局部梯度是穩(wěn)定的。

圖24 小重量前飛操縱量對比圖

圖25 大重量前飛操縱量對比圖

3.1.3 后飛側(cè)后飛平衡性試飛

試飛狀態(tài)：左、右側(cè)飛及后飛速度50 km/h 、65km/h，穩(wěn)定時(shí)間保持15s。

試飛要求：給出總距操縱、縱向操縱、航向操縱、橫向操縱、俯仰角、傾斜角和偏航角的平衡結(jié)果。

試飛結(jié)果如圖26-圖29所示，側(cè)后飛速度均達(dá)到65km/h指標(biāo)要求。

圖26 小重量后飛、側(cè)飛操縱量對比圖

圖27 大重量后飛、側(cè)飛操縱量對比圖

3.2 動穩(wěn)定性試飛

直升機(jī)懸停、前飛動穩(wěn)定性的試飛結(jié)果如下文所示。由結(jié)果可以看出，接通飛控系統(tǒng)時(shí)，該型機(jī)的動穩(wěn)定性滿足等級1要求。

圖28 小重量45°側(cè)飛操縱量對比圖

圖29 大重量45°側(cè)飛操縱量對比圖

3.2.1 懸停動穩(wěn)定性試飛

試飛狀態(tài)：以脈沖輸入進(jìn)行縱、橫、航向飛行試驗(yàn)。 (脈沖幅度約1cm，脈沖寬度約0.5s，每次激勵(lì)前保持穩(wěn)定飛行5s，激勵(lì)后保持各操縱通道固持15～20s)。進(jìn)行動穩(wěn)定性試飛時(shí)其他操縱均固持。

試飛要求：試飛員進(jìn)行庫珀-哈珀等級評定，并給出試飛評述意見。

試飛結(jié)果如圖30所示，且HQR評定等級均為等級1。

圖30 懸停動穩(wěn)定性

3.2.2 前飛動穩(wěn)定性試飛

試飛狀態(tài)：以脈沖輸入進(jìn)行縱向、橫向及航向100km/h～180km/h飛行試驗(yàn)。(脈沖幅度約1cm，脈沖寬度約0.5s，每次激勵(lì)前保持穩(wěn)定飛行5s，激勵(lì)后保持各操縱通道固持15～20s)。進(jìn)行動穩(wěn)定性試飛時(shí)其他操縱均固持。

試飛要求：試飛員進(jìn)行庫珀-哈珀等級評定，并給出試飛評述意見。

試飛結(jié)果如圖31、圖32所示，且HQR評定等級均為等級1。

圖31 前飛縱向動穩(wěn)定性

圖32 前飛橫向動穩(wěn)定性

4 結(jié)論與展望

1)經(jīng)過計(jì)算分析與試飛驗(yàn)證，某型機(jī)重量重心包線拓展可實(shí)施，且調(diào)整后的重量重心包線對飛機(jī)的安全性和操縱性影響不大。

2)該型直升機(jī)重量重心包線拓展試飛后，試飛員對飛行科目均給出了試飛評述意見，HQR和VRS評定良好，直升機(jī)各系統(tǒng)工作正常，穩(wěn)定性好，操縱性和飛行品質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。

3)由于重量重心包線的影響，試飛過程中后飛、側(cè)飛科目難度較大，機(jī)體振動較大。貼近包線邊緣試飛時(shí)，不得盲目冒進(jìn)，應(yīng)嚴(yán)格遵循循序漸進(jìn)的原則，逐步增大速度和操縱量，保障安全。

4)通過對重量重心包線的拓展，保障了該型號各任務(wù)剖面的完整性和安全性，提升了直升機(jī)性能，并且首次完成了該型號重量重心包線拓展試飛驗(yàn)證工作。

5)本文對某型機(jī)重量重心包線拓展進(jìn)行了研究，從理論計(jì)算、試飛方法和試飛驗(yàn)證進(jìn)行了細(xì)致的分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，為該型號設(shè)計(jì)、批生產(chǎn)提供了支持，為后續(xù)型號設(shè)計(jì)、試飛提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和豐富的設(shè)計(jì)思路。