AC311A型直升機(jī)加裝傾斜航空相機(jī)設(shè)計(jì)與分析

俞東鋒 張?jiān)１? 王暉 張有財(cái)

摘要：直升機(jī)因其低速、機(jī)動(dòng)靈活、起降要求低等特點(diǎn)，在航空測(cè)繪等領(lǐng)域廣泛使用，而航空測(cè)繪設(shè)備的加改裝也促進(jìn)了直升機(jī)市場(chǎng)業(yè)務(wù)的拓展。本文基于AC311A直升機(jī)加裝某型傾斜航空相機(jī)的實(shí)際工作，對(duì)加改裝設(shè)計(jì)與分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，為同類型改裝工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：相機(jī)；改裝；設(shè)計(jì)；分析

Keywords：camera；modification；design；analysis

0 引言

隨著近年來(lái)航空測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，航空攝影、測(cè)繪、地質(zhì)勘探等業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展。航空測(cè)繪設(shè)備的加改裝也成為了通航公司打開(kāi)市場(chǎng)、創(chuàng)造盈利的重要手段。航空測(cè)繪工作一般要求精度高、平臺(tái)穩(wěn)定、可達(dá)性好，所以直升機(jī)往往是航空測(cè)繪設(shè)備的首選載機(jī)平臺(tái)。

航測(cè)設(shè)備屬于任務(wù)設(shè)備，對(duì)于通航公司而言，可以選擇永久改裝或者臨時(shí)加裝。高精度的航測(cè)設(shè)備維護(hù)要求高，維護(hù)成本和采購(gòu)成本均居高不下。出于作業(yè)任務(wù)的多樣性和成本控制考慮，通航公司一般采用臨時(shí)加裝的方案，即在有業(yè)務(wù)需求時(shí)進(jìn)行設(shè)備的租賃和快速加裝。這就要求設(shè)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(jī)加裝某型傾斜航空相機(jī)的項(xiàng)目工作，對(duì)航測(cè)設(shè)備臨時(shí)加裝的方案設(shè)計(jì)需考慮的安全性、功能性和驗(yàn)證要求等方面內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)分析說(shuō)明。

1 載機(jī)介紹

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

AC311A直升機(jī)海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

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

2 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案制定工作是項(xiàng)目實(shí)施的首要工作，需要對(duì)加改裝所要達(dá)成的技術(shù)指標(biāo)和功能要求進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，根據(jù)設(shè)備的組成和系統(tǒng)原理，結(jié)合直升機(jī)結(jié)構(gòu)特性，對(duì)設(shè)備的在機(jī)上的整體布局、安裝形式、結(jié)構(gòu)改裝等內(nèi)容進(jìn)行分析和初步確認(rèn)。

2.1 相機(jī)系統(tǒng)的組成和功能

此次項(xiàng)目選取的傾斜航空相機(jī)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(jī)主機(jī)、姿態(tài)控制盒、GSM4000相機(jī)云臺(tái)、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(jī)控制器、GPS天線、GPS導(dǎo)航顯示器及配套電纜接插件組成。

整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)可以分為4個(gè)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(gè)相機(jī)系統(tǒng)供電；應(yīng)急條件下，經(jīng)過(guò)論證分析可行性，鋰電池電源可臨時(shí)替換為機(jī)上直流電源。

b）導(dǎo)航單元

由GPS天線和導(dǎo)航顯示器組成，提供位置信號(hào)，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(jī)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(jìn)行設(shè)備控制、監(jiān)控和拍攝效果觀察。相機(jī)控制器是整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)的中樞，進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)、交互和存儲(chǔ)。

d）拍攝單元

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

相機(jī)系統(tǒng)整體功能模塊的劃分，也是相機(jī)安裝布局設(shè)計(jì)的依據(jù)。2.2 相機(jī)系統(tǒng)的布局

根據(jù)相機(jī)系統(tǒng)的功能單元?jiǎng)澐郑擅鞔_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(duì)位置沒(méi)有特殊要求，但應(yīng)盡量不影響其他設(shè)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(zhuǎn)為機(jī)上直流供電，應(yīng)靠近操作員和直流電源接口，方便快速轉(zhuǎn)電。

導(dǎo)航單元的顯示器應(yīng)在前艙方便飛行員觀察的位置，同時(shí)考慮到AC311A型機(jī)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(hào)遮擋問(wèn)題，快速加裝時(shí)，可考慮機(jī)外，也可考慮機(jī)內(nèi)信號(hào)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(shí)應(yīng)在直升機(jī)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(yùn)行空間，同時(shí)考慮電磁環(huán)境和相機(jī)的體積，采用機(jī)外吊裝的形式較為合理。

同類型的傾斜相機(jī)系統(tǒng)有類似的安裝參考，如圖3和圖4所示。

AC311A直升機(jī)屬于輕型單發(fā)直升機(jī)，機(jī)體小，重量輕。相機(jī)主機(jī)如采用內(nèi)部安裝，機(jī)身無(wú)專用的內(nèi)部吊掛隔框，空間也不足以搭載相機(jī)拍攝單元；采用機(jī)身側(cè)面的安裝方式，需在結(jié)構(gòu)主承力路徑增加專用承力接頭，且對(duì)橫向重心的影響較大，常常需要增加額外的配重掛載進(jìn)行平衡。

參考該機(jī)型加裝光電吊艙、農(nóng)林噴灑、滅火裝置等設(shè)備的安裝形式，采用機(jī)腹掛載形式，既可滿足空間要求，也能確保重心可控，相機(jī)云臺(tái)的安裝也較為簡(jiǎn)單。

最終確認(rèn)整個(gè)相機(jī)單元布局方案如圖5所示。

導(dǎo)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(dǎo)航支架，天線位于前風(fēng)擋透明有機(jī)玻璃下方位置，信號(hào)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(jié)構(gòu)更改。配電盒靠近后艙的直流電源插座，應(yīng)急情況下方便取電。

拍攝單元通過(guò)安裝支架的快卸接頭固定于滑橇下方，確保重心可控和運(yùn)動(dòng)空間足夠。

3 加改裝方案評(píng)估分析

加裝方案的評(píng)估分析，應(yīng)貫穿于整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程。目前，已有的加改裝項(xiàng)目基本依據(jù)CCAR-21部《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》以及AC-21-AA-2014-36《航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改審定基礎(chǔ)的確定方法》確認(rèn)評(píng)估要求。

出于技術(shù)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。“小改”要求對(duì)民用航空產(chǎn)品的重量、平衡、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性、使用特性以及對(duì)民用航空產(chǎn)品適航性沒(méi)有顯著影響；這也是方案制定時(shí)的前提。本次傾斜航空相機(jī)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(bào)程序上的簡(jiǎn)化，但絕不是評(píng)估和驗(yàn)證的簡(jiǎn)化。評(píng)估分析可以遵循AC311A型機(jī)的取證基礎(chǔ)CCAR-27部的相關(guān)要求，也可遵循普遍的通用評(píng)估分析要求。

“小改”也需要有審定基礎(chǔ)的分析與驗(yàn)證，在總體方案評(píng)估時(shí)，可遵循以下內(nèi)容進(jìn)行分析。

3.1 重量重心分析

遵循“小改”的原則，加裝設(shè)備后的整機(jī)重量重心應(yīng)在載機(jī)平臺(tái)原有的使用包線內(nèi)，避免大量額外的重量重心驗(yàn)證工作。

重量重心分析應(yīng)進(jìn)行設(shè)備實(shí)際稱重，并根據(jù)作業(yè)時(shí)可能遇到的各種極限使用狀態(tài)進(jìn)行分析和校核，出具單獨(dú)的重量重心分析報(bào)告。方案評(píng)估階段可根據(jù)設(shè)備資料和數(shù)模分析等進(jìn)行預(yù)估，此次加裝設(shè)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(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6和圖7中外包線為載機(jī)平臺(tái)的重量重心使用包線，內(nèi)包線為設(shè)備加裝后可能使用到的極限范圍，可見(jiàn)此次設(shè)備加裝可控制在原機(jī)重量重心包線范圍內(nèi)，無(wú)需額外驗(yàn)證。

3.2 飛行性能與品質(zhì)分析

飛行性能和品質(zhì)，主要影響因素在于氣動(dòng)外形、操縱系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、旋翼系統(tǒng)，以及重量重心。所以，在“小改”設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行更改或產(chǎn)生過(guò)大的影響。

得出相關(guān)功率參數(shù)后，可對(duì)載機(jī)的平飛和爬升性能進(jìn)行影響評(píng)估。計(jì)算功率一般要乘以修正系數(shù)，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為當(dāng)加裝設(shè)備的的氣動(dòng)外形較為粗糙或不規(guī)則時(shí)，進(jìn)行保守分析，即得出的功率應(yīng)稍作增加；設(shè)備較為規(guī)則或增加了整流時(shí)，計(jì)算功率不做增加。因?yàn)槭窃诜桨冈u(píng)估階段，給出相對(duì)合理的飛行試驗(yàn)的限制和參考數(shù)值即可。

而性能評(píng)估最簡(jiǎn)化的方法，是根據(jù)同類型加改裝已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行類比借鑒，可認(rèn)為有效。

此加裝方案評(píng)估的結(jié)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(shù)值可作為飛行試驗(yàn)的參考數(shù)值。同時(shí)，因設(shè)備的加裝，應(yīng)對(duì)相關(guān)的飛行坡度等進(jìn)行限制，并且禁止粗猛的操作驗(yàn)證，以確保安全。

3.3 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析分為靜強(qiáng)度、疲勞和動(dòng)力學(xué)分析三方面，具體可以理解為包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、受力布局合理、結(jié)構(gòu)壽命滿足使用、結(jié)構(gòu)設(shè)置不產(chǎn)生共振。最終需出具強(qiáng)度分析報(bào)告。

強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)時(shí)，首要是選材，應(yīng)選用許用的航空標(biāo)準(zhǔn)材料。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)盡量避免焊接、粘接等難以校核和說(shuō)明的連接方式。一般簡(jiǎn)化的強(qiáng)度分析，可只對(duì)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。但必須確認(rèn)結(jié)構(gòu)的傳力路徑完整，即加裝結(jié)構(gòu)在使用時(shí)的各方向載荷都能有效傳遞給機(jī)身主體承力結(jié)構(gòu)，而不出現(xiàn)缺少約束的情況。

對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，遵循載機(jī)平臺(tái)適用的CCAR-27部《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》，區(qū)分結(jié)構(gòu)安裝位置，通過(guò)計(jì)算確認(rèn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接件（螺栓、鉚釘?shù)龋?qiáng)度能夠在極限載荷下不破壞，內(nèi)部載荷要求見(jiàn)表2。

外部結(jié)構(gòu)的載荷根據(jù)實(shí)際飛行極限載荷，或者27部C章強(qiáng)度要求（飛行載荷要求）或者27.865條的一些規(guī)定進(jìn)行制定。

關(guān)于疲勞分析，可根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)的載荷受力進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。動(dòng)力學(xué)特性往往通過(guò)仿真分析給出初步結(jié)論，再進(jìn)行地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。實(shí)際通航加改裝時(shí)，在確保結(jié)構(gòu)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(yùn)轉(zhuǎn)方式校核動(dòng)力學(xué)特性即可。當(dāng)然，借鑒類比也是簡(jiǎn)單可行的。

3.4 電氣負(fù)載分析

電氣負(fù)載分析主要針對(duì)在機(jī)上取電的設(shè)備，確認(rèn)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流不會(huì)超出機(jī)上取電線路的負(fù)載限制，設(shè)備在機(jī)上的功率提取不會(huì)對(duì)整機(jī)電氣功率裕度產(chǎn)生過(guò)大的影響。

此次加裝設(shè)備采用自帶電源，可不考慮此類問(wèn)題，但應(yīng)確保自帶電源的安全性。

應(yīng)急情況下，設(shè)備可能轉(zhuǎn)為機(jī)上取電?？紤]設(shè)備工作功率360W，正常工作功率260W，機(jī)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(jī)在所有設(shè)備打開(kāi)時(shí)剩余電氣功率超3kW，裕度充分。這作為評(píng)估項(xiàng)，可作為備份的驗(yàn)證項(xiàng)目，必要情況下可將驗(yàn)證結(jié)果納入持續(xù)適航文件等指導(dǎo)性文件中，用于指導(dǎo)設(shè)備使用。

3.5 電磁兼容分析

電磁兼容分析，都需要通過(guò)試驗(yàn)的形式得出相關(guān)結(jié)論。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證設(shè)備遠(yuǎn)離機(jī)上大功率裝置；設(shè)備運(yùn)行單元遠(yuǎn)離機(jī)上易受影響的天線、敏感傳感原件等。成品設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題。

電磁兼容的試驗(yàn)和結(jié)果處理相關(guān)要求，可參考適航咨詢通告等。

3.6 其他分析

其他分析則見(jiàn)仁見(jiàn)智，可以綜合參考CCAR-27部的章節(jié)進(jìn)行影響內(nèi)容選取和評(píng)估。此次加裝方案根據(jù)個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)和前期項(xiàng)目類比借鑒，具體參考見(jiàn)表3。

4 結(jié)論

任務(wù)設(shè)備加改裝是通航公司面向市場(chǎng)的必要手段，但通航公司往往出于技術(shù)能力和成本控制考慮，加改裝缺乏規(guī)范性和指導(dǎo)性。本文通過(guò)AC311A直升機(jī)加裝傾斜航空相機(jī)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與分析，介紹了航測(cè)設(shè)備加改裝方案設(shè)計(jì)的一般程序，給出了方案分析評(píng)估的要點(diǎn)，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(yīng)從成本、實(shí)施周期、項(xiàng)目定位、驗(yàn)證難度、后續(xù)驗(yàn)證工作量和設(shè)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(duì)載機(jī)平臺(tái)的主要系統(tǒng)進(jìn)行更改，選取成熟的、參數(shù)明確的產(chǎn)品和材料；

2）加改裝雖然要考慮成本和技術(shù)難度，但對(duì)基礎(chǔ)的具有普適性的重量重心、飛行性能和品質(zhì)、強(qiáng)度、電氣負(fù)載、電磁兼容影響一定要考慮和評(píng)估，這是項(xiàng)目方案制定的基礎(chǔ)和必要參考條件；

3）雖然加改裝帶來(lái)的對(duì)載機(jī)運(yùn)行要求上的更改可以通過(guò)指導(dǎo)文件進(jìn)行說(shuō)明，但應(yīng)盡量避免增加不必要的限制；

4）項(xiàng)目評(píng)估分析應(yīng)不怕麻煩，越充分越好，迭代優(yōu)化需貫穿整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程；

5）必要的類比借鑒，是非常有效且實(shí)用的加改裝項(xiàng)目設(shè)計(jì)和分析方法。

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作者簡(jiǎn)介

俞東鋒，工程師，研究方向：直升機(jī)試飛管理、試飛設(shè)計(jì)與性能分析。