AC311A型直升機加裝傾斜航空相機設計與分析

俞東鋒 張裕兵 王暉 張有財

摘要：直升機因其低速、機動靈活、起降要求低等特點，在航空測繪等領域廣泛使用，而航空測繪設備的加改裝也促進了直升機市場業(yè)務的拓展。本文基于AC311A直升機加裝某型傾斜航空相機的實際工作，對加改裝設計與分析過程進行說明，為同類型改裝工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：相機；改裝；設計；分析

Keywords：camera；modification；design；analysis

0 引言

隨著近年來航空測繪技術的發(fā)展，航空攝影、測繪、地質勘探等業(yè)務蓬勃發(fā)展。航空測繪設備的加改裝也成為了通航公司打開市場、創(chuàng)造盈利的重要手段。航空測繪工作一般要求精度高、平臺穩(wěn)定、可達性好，所以直升機往往是航空測繪設備的首選載機平臺。

航測設備屬于任務設備，對于通航公司而言，可以選擇永久改裝或者臨時加裝。高精度的航測設備維護要求高，維護成本和采購成本均居高不下。出于作業(yè)任務的多樣性和成本控制考慮，通航公司一般采用臨時加裝的方案，即在有業(yè)務需求時進行設備的租賃和快速加裝。這就要求設備加改裝方案既能滿足安全要求，又能快速拆裝。

本文介紹了AC311A型直升機加裝某型傾斜航空相機的項目工作，對航測設備臨時加裝的方案設計需考慮的安全性、功能性和驗證要求等方面內容進行重點分析說明。

1 載機介紹

本項目加裝工作所選取的載機平臺為國產AC311A型直升機，這是一款民用高性能多用途輕型單發(fā)直升機，如圖1所示。

AC311A直升機海平面標準大氣環(huán)境主要性能參數見表1。

該直升機可靠性高、使用成本低；機體尺寸小、占地面積少，采用滑橇式起落架，可以在復雜的戶外地形起降。其搭載的高性能發(fā)動機和增強型旋翼，使得該直升機具有優(yōu)異的高原性能和充足的功率儲備，能夠勝任全疆域、多類型作業(yè)任務。

2 總體方案設計

總體方案制定工作是項目實施的首要工作，需要對加改裝所要達成的技術指標和功能要求進行統(tǒng)籌考慮，根據設備的組成和系統(tǒng)原理，結合直升機結構特性，對設備的在機上的整體布局、安裝形式、結構改裝等內容進行分析和初步確認。

2.1 相機系統(tǒng)的組成和功能

此次項目選取的傾斜航空相機系統(tǒng)峰值工作功率360W，正常工作功率260W，采用24～28V直流供電，由傾斜相機主機、姿態(tài)控制盒、GSM4000相機云臺、配電盒、鋰電池、姿態(tài)控制盒、航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板、相機控制器、GPS天線、GPS導航顯示器及配套電纜接插件組成。

整個相機系統(tǒng)可以分為4個功能單元，如圖2所示。

a）供電單元

由鋰電池和配電盒組成，給整個相機系統(tǒng)供電；應急條件下，經過論證分析可行性，鋰電池電源可臨時替換為機上直流電源。

b）導航單元

由GPS天線和導航顯示器組成，提供位置信號，并反饋給飛行員飛行航跡信息。

c）控制單元

由航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板電腦、相機控制器組成。航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板電腦由航拍操作員使用，進行設備控制、監(jiān)控和拍攝效果觀察。相機控制器是整個相機系統(tǒng)的中樞，進行信號的解調、交互和存儲。

d）拍攝單元

由相機云臺、姿態(tài)控制盒控制和相機主機組成，反饋和控制相機整體姿態(tài)，確保相機鏡頭角度符合拍攝要求。

相機系統(tǒng)整體功能模塊的劃分，也是相機安裝布局設計的依據。2.2 相機系統(tǒng)的布局

根據相機系統(tǒng)的功能單元劃分，可明確功能單元的使用人員和基本安裝要求。

供電單元不存在使用要求，對位置沒有特殊要求，但應盡量不影響其他設備安裝和使用，不影響飛行員的操作和視野。在必要條件下，可能需要轉為機上直流供電，應靠近操作員和直流電源接口，方便快速轉電。

導航單元的顯示器應在前艙方便飛行員觀察的位置，同時考慮到AC311A型機單駕駛狀態(tài)為右駕，考慮置其于附近位置。GPS天線需考慮信號遮擋問題，快速加裝時，可考慮機外，也可考慮機內信號遮擋較小位置。

系統(tǒng)控制單元由操作員使用，操作員在作業(yè)時應在直升機后艙（乘員艙），該控制單元可考慮在后艙乘員座椅位置附近。

拍攝單元需要有足夠的運行空間，同時考慮電磁環(huán)境和相機的體積，采用機外吊裝的形式較為合理。

同類型的傾斜相機系統(tǒng)有類似的安裝參考，如圖3和圖4所示。

AC311A直升機屬于輕型單發(fā)直升機，機體小，重量輕。相機主機如采用內部安裝，機身無專用的內部吊掛隔框，空間也不足以搭載相機拍攝單元；采用機身側面的安裝方式，需在結構主承力路徑增加專用承力接頭，且對橫向重心的影響較大，常常需要增加額外的配重掛載進行平衡。

參考該機型加裝光電吊艙、農林噴灑、滅火裝置等設備的安裝形式，采用機腹掛載形式，既可滿足空間要求，也能確保重心可控，相機云臺的安裝也較為簡單。

最終確認整個相機單元布局方案如圖5所示。

導航單元處于右駕駛員位置，便于飛行員觀察。借用儀表板遮光罩螺栓快速固定導航支架，天線位于前風擋透明有機玻璃下方位置，信號遮擋小。

供電和控制單元一起固定在后艙左座乘員位置的新增安裝支架上。安裝支架可使用系留鋼索或鉤型螺栓與座艙地板系留環(huán)快速連接，不增加結構更改。配電盒靠近后艙的直流電源插座，應急情況下方便取電。

拍攝單元通過安裝支架的快卸接頭固定于滑橇下方，確保重心可控和運動空間足夠。

3 加改裝方案評估分析

加裝方案的評估分析，應貫穿于整個項目設計過程。目前，已有的加改裝項目基本依據CCAR-21部《民用航空產品和零部件合格審定規(guī)定》以及AC-21-AA-2014-36《航空產品設計更改審定基礎的確定方法》確認評估要求。

出于技術能力、成本和加改裝效率考慮，“小改”是通航公司加改裝的首選?！靶「摹币髮γ裼煤娇债a品的重量、平衡、結構強度、可靠性、使用特性以及對民用航空產品適航性沒有顯著影響；這也是方案制定時的前提。本次傾斜航空相機加裝方案就是基于“小改”的要求制定的。

要注意的是，“小改”是申報程序上的簡化，但絕不是評估和驗證的簡化。評估分析可以遵循AC311A型機的取證基礎CCAR-27部的相關要求，也可遵循普遍的通用評估分析要求。

“小改”也需要有審定基礎的分析與驗證，在總體方案評估時，可遵循以下內容進行分析。

3.1 重量重心分析

遵循“小改”的原則，加裝設備后的整機重量重心應在載機平臺原有的使用包線內，避免大量額外的重量重心驗證工作。

重量重心分析應進行設備實際稱重，并根據作業(yè)時可能遇到的各種極限使用狀態(tài)進行分析和校核，出具單獨的重量重心分析報告。方案評估階段可根據設備資料和數模分析等進行預估，此次加裝設備總重量（含安裝支架）為130kg，橫向重心略偏左，縱向重心靠前，分析結果見圖6和圖7。

圖6和圖7中外包線為載機平臺的重量重心使用包線，內包線為設備加裝后可能使用到的極限范圍，可見此次設備加裝可控制在原機重量重心包線范圍內，無需額外驗證。

3.2 飛行性能與品質分析

飛行性能和品質，主要影響因素在于氣動外形、操縱系統(tǒng)、動力傳動裝置、旋翼系統(tǒng)，以及重量重心。所以，在“小改”設計時，盡量避免對這些系統(tǒng)進行更改或產生過大的影響。

得出相關功率參數后，可對載機的平飛和爬升性能進行影響評估。計算功率一般要乘以修正系數，可以簡單認為當加裝設備的的氣動外形較為粗糙或不規(guī)則時，進行保守分析，即得出的功率應稍作增加；設備較為規(guī)則或增加了整流時，計算功率不做增加。因為是在方案評估階段，給出相對合理的飛行試驗的限制和參考數值即可。

而性能評估最簡化的方法，是根據同類型加改裝已有的數據進行類比借鑒，可認為有效。

此加裝方案評估的結果是平飛最大速度降低約20kts，推薦的爬升速度情況下爬升率降低約300fpm，這些數值可作為飛行試驗的參考數值。同時，因設備的加裝，應對相關的飛行坡度等進行限制，并且禁止粗猛的操作驗證，以確保安全。

3.3 強度分析

強度分析分為靜強度、疲勞和動力學分析三方面，具體可以理解為包括結構強度分析、受力布局合理、結構壽命滿足使用、結構設置不產生共振。最終需出具強度分析報告。

強度分析和設計時，首要是選材，應選用許用的航空標準材料。關鍵結構點盡量避免焊接、粘接等難以校核和說明的連接方式。一般簡化的強度分析，可只對結構受力的關鍵點進行分析。但必須確認結構的傳力路徑完整，即加裝結構在使用時的各方向載荷都能有效傳遞給機身主體承力結構，而不出現缺少約束的情況。

對于結構分析，遵循載機平臺適用的CCAR-27部《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》，區(qū)分結構安裝位置，通過計算確認關鍵節(jié)點連接件（螺栓、鉚釘等）強度能夠在極限載荷下不破壞，內部載荷要求見表2。

外部結構的載荷根據實際飛行極限載荷，或者27部C章強度要求（飛行載荷要求）或者27.865條的一些規(guī)定進行制定。

關于疲勞分析，可根據關鍵點的載荷受力進行簡單說明。動力學特性往往通過仿真分析給出初步結論，再進行地面試驗和飛行試驗。實際通航加改裝時，在確保結構牢固、安裝可靠、滿足極限載荷要求的情況下，一般直接采用地面運轉方式校核動力學特性即可。當然，借鑒類比也是簡單可行的。

3.4 電氣負載分析

電氣負載分析主要針對在機上取電的設備，確認取電方案的合理性。主要考慮使用電流、峰值電流，以及功率的提取。要求是設備運轉時的電流不會超出機上取電線路的負載限制，設備在機上的功率提取不會對整機電氣功率裕度產生過大的影響。

此次加裝設備采用自帶電源，可不考慮此類問題，但應確保自帶電源的安全性。

應急情況下，設備可能轉為機上取電?？紤]設備工作功率360W，正常工作功率260W，機上直流電源為24V，工作電流為10～15A，至少確保該直流電源線路具有15A的供電能力。整機在所有設備打開時剩余電氣功率超3kW，裕度充分。這作為評估項，可作為備份的驗證項目，必要情況下可將驗證結果納入持續(xù)適航文件等指導性文件中，用于指導設備使用。

3.5 電磁兼容分析

電磁兼容分析，都需要通過試驗的形式得出相關結論。在方案設計時，應保證設備遠離機上大功率裝置；設備運行單元遠離機上易受影響的天線、敏感傳感原件等。成品設備的電纜往往采用屏蔽線，本身具有一定的抗干擾能力，所以合理選取線纜通道是電磁兼容設計時需要著重考慮的問題。

電磁兼容的試驗和結果處理相關要求，可參考適航咨詢通告等。

3.6 其他分析

其他分析則見仁見智，可以綜合參考CCAR-27部的章節(jié)進行影響內容選取和評估。此次加裝方案根據個人工作經驗和前期項目類比借鑒，具體參考見表3。

4 結論

任務設備加改裝是通航公司面向市場的必要手段，但通航公司往往出于技術能力和成本控制考慮，加改裝缺乏規(guī)范性和指導性。本文通過AC311A直升機加裝傾斜航空相機的項目設計與分析，介紹了航測設備加改裝方案設計的一般程序，給出了方案分析評估的要點，為同類型加改裝工作提供參考和必要的安全提醒，歸納如下：

1）加改裝方案，應從成本、實施周期、項目定位、驗證難度、后續(xù)驗證工作量和設備使用功能需求出發(fā)，選取合理的布局和安裝方案，盡量避免對載機平臺的主要系統(tǒng)進行更改，選取成熟的、參數明確的產品和材料；

2）加改裝雖然要考慮成本和技術難度，但對基礎的具有普適性的重量重心、飛行性能和品質、強度、電氣負載、電磁兼容影響一定要考慮和評估，這是項目方案制定的基礎和必要參考條件；

3）雖然加改裝帶來的對載機運行要求上的更改可以通過指導文件進行說明，但應盡量避免增加不必要的限制；

4）項目評估分析應不怕麻煩，越充分越好，迭代優(yōu)化需貫穿整個項目實施過程；

5）必要的類比借鑒，是非常有效且實用的加改裝項目設計和分析方法。

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作者簡介

俞東鋒，工程師，研究方向：直升機試飛管理、試飛設計與性能分析。