直升機(jī)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣的適航驗證和考慮

李卉敏,胡孟軍

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

目前，民用直升機(jī)廣泛運(yùn)用于海上運(yùn)輸、石油勘探、海上搜救等領(lǐng)域，由于在水面上活動時間增多、飛行時間增長，在水面上發(fā)生故障的可能性也會增大。根據(jù)中國民用航空局要求，海面上活動的直升機(jī)需具備符合適航條款的海上救生方式，其中最常用的是給直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)——直升機(jī)在水上迫降時，完成空中充氣后的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)可維持直升機(jī)漂浮一定時間，從而為機(jī)組及乘員的撤離創(chuàng)造條件。

直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)會對其整機(jī)氣動外形產(chǎn)生較大影響，而應(yīng)急漂浮系統(tǒng)能否在飛行中正常充氣投入使用是直升機(jī)完成水上緊急迫降的關(guān)鍵問題。對此，本文以國內(nèi)首次成功進(jìn)行應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣驗證試飛的AC313型直升機(jī)為例，討論直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)后，通過試飛(MC6)驗證其空中充氣狀態(tài)適航符合性的方法和思路。

1 試驗對象

AC313直升機(jī)是航空工業(yè)研制生產(chǎn)的中型多用途民用直升機(jī)，于2012年取得型號合格證，最大起飛重量為13000 kg。根據(jù)市場客戶需求，AC313直升機(jī)取證后開展了加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)設(shè)計更改及取證工作。

AC313直升機(jī)加裝的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)由4個浮筒、充氣系統(tǒng)和相關(guān)組件組成。2個前部浮筒組件安裝在前機(jī)身2-4框蒙皮外側(cè)，左右對稱； 2個后部浮筒組件安裝在短翼外部，左右對稱；每個浮筒使用各自對應(yīng)的氣瓶進(jìn)行充氣。浮筒組件展開后的外形如圖1所示。浮筒提供的浮力與直升機(jī)固有浮力共同保證最大起飛重量為13000 kg的AC313型機(jī)能夠平穩(wěn)地在水面上漂浮直至機(jī)上所有乘員安全逃生(5級海情時應(yīng)能夠在水面上穩(wěn)定漂浮10 min，為機(jī)上所有人員撤離創(chuàng)造條件)。

圖1 AC313直升機(jī)加裝的應(yīng)急漂浮(浮筒充氣)照片

浮筒組件平時為折疊真空包裝，安裝于浮筒容器內(nèi)。浮筒容器表面設(shè)有封閉的蓋子，用于保護(hù)內(nèi)部的浮筒；浮筒充氣后，會將約束其外形的繩帶以及蓋子漲開，完成整個充氣打開動作。在飛行中或水上應(yīng)急迫降期間充氣的啟動方法有兩種，分別為飛行中手動打開充氣和水浸探測開關(guān)被浸沒后自動觸發(fā)充氣。

2 適航驗證思路

直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)后，對原有飛行包線適航性的影響階段包括浮筒關(guān)閉狀態(tài)的飛行、浮筒空中充氣、浮筒打開后的飛行以及應(yīng)急著水共4個階段。其中，應(yīng)急著水的實際演示風(fēng)險及成本都過高，不適宜使用飛行試驗來表明適航符合性，推薦使用直升機(jī)縮比模型入水試驗結(jié)合仿真分析的方法驗證入水時的最佳姿態(tài)和著水載荷，故不在本文討論范圍之內(nèi)。由于應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒關(guān)閉狀態(tài)和充氣完成后狀態(tài)的整機(jī)操縱性與機(jī)動性、縱向靜穩(wěn)定性及動穩(wěn)定性驗證方法較傳統(tǒng)，本文僅針對國內(nèi)首次開展的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣過程的適航性驗證進(jìn)行討論。

針對空中充氣試飛驗證，CCAR-29部中相關(guān)的條款主要有B章飛行特性、F章設(shè)備和G章使用限制。下文將篩選出需驗證條款，并給出所選擇的試飛狀態(tài)(重量、重心、速度等)。

2.1 飛行特性

為了驗證在飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會對飛行安全造成影響，需進(jìn)行浮筒空中充氣的飛行特性試飛，即驗證對CCAR-29部中第29.141“飛行特性：總則”、29.143“操縱性與機(jī)動性”條款的符合性。驗證內(nèi)容包括：應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣時的飛行特性，包括直升機(jī)姿態(tài)、速度響應(yīng)，以及全機(jī)操縱性、飛行狀態(tài)過渡安全性。

浮筒空中充氣試飛驗證之前在國內(nèi)并未開展過，缺乏可借鑒經(jīng)驗，需對飛行速度、重量重心進(jìn)行仔細(xì)篩選，才能在驗證適航性的同時保證試飛安全。試驗前，通過計算分析得出在飛行速度180 km/h之內(nèi)進(jìn)行空中充氣帶來的姿態(tài)、速度響應(yīng)均在可接受的范圍內(nèi)，考慮到應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒充氣前飛速度限制需在最佳自轉(zhuǎn)下滑速度附近方能符合飛行中應(yīng)急使用程序，故選擇進(jìn)行140 km/h充氣試驗。

空中浮筒充氣試驗主要考核直升機(jī)縱向在浮筒充氣帶來的阻力和力矩激勵下的俯仰角速度和姿態(tài)響應(yīng)極值。重心向前偏移會增大初始低頭姿態(tài)，進(jìn)而增大俯仰姿態(tài)響應(yīng)極值，而飛行重量增加則會增大直升機(jī)繞橫軸的轉(zhuǎn)動慣量，減小俯仰角加速度響應(yīng)，繼而減小俯仰姿態(tài)響應(yīng)極值，故試飛狀態(tài)選擇中需要權(quán)衡重心影響和重量慣量影響。通過飛行特性計算分析，在140 km/h前飛時，10150 kg、前限重心狀態(tài)直升機(jī)配平低頭姿態(tài)較9040 kg、正常重心狀態(tài)俯仰角低頭增加2.6°。重量重心從9040 kg、正常重心變更至10150 kg、前限重心狀態(tài)后,俯仰通道繞橫軸轉(zhuǎn)動慣量增大7.5%。在同樣的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒充氣打開氣動力作用下，兩者的直升機(jī)俯仰低頭響應(yīng)量值在初始4 s內(nèi)非常接近。

兩種狀態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果對比曲線見圖2。從圖上可見，10150 kg、前限重心狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒展開試驗時，俯仰姿態(tài)較9040 kg、正常重心時更大，即縱向操縱向前最大、俯仰角低頭最多，故此時進(jìn)行浮筒充氣打開對飛行特性影響最嚴(yán)酷。因此，空中浮筒充氣飛行特性驗證科目選擇采用10150 kg、前限重心狀態(tài)進(jìn)行。

圖2 浮筒空中充氣狀態(tài)響應(yīng)計算

2.2 空中充氣功能

考核應(yīng)急漂浮空中充氣功能，驗證CCAR-29部29.1301、29.1309條款，即浮筒能夠正常充氣展開，不會對飛行安全造成影響。

CCAR 29.1301、29.1309條款是關(guān)于旋翼航空器的設(shè)備及其功能和安裝方面的通用條款，要求設(shè)備的設(shè)計和安裝應(yīng)保證在各種預(yù)期的工作條件下均能正常工作，按規(guī)定的限制安裝設(shè)備并應(yīng)保證裝機(jī)后功能正常。

飛行試驗之前,通過地面充氣試驗驗證應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的手動充氣功能正常；結(jié)合地面充氣試驗過程中記錄的充氣過程，通過對作用在浮筒艙蓋和浮筒上的水載荷和水壓力的計算分析以及對直升機(jī)迫降著水過程的仿真分析，說明在直升機(jī)重量和周圍水壓影響下，入水后展開的浮筒能夠在規(guī)定的時間內(nèi)在水中正常充氣展開，而不會導(dǎo)致直升機(jī)的傾覆。在開展分析說明、地面試驗、仿真分析的前提下，進(jìn)一步地進(jìn)行空中充氣打開試驗，驗證在規(guī)定的飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會對飛行安全造成影響。

2.3 空中充氣速度限制

應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的使用需確定應(yīng)急漂浮系統(tǒng)待命狀態(tài)最大飛行速度，即驗證CCAR-29部29.1503“空速限制：總則”條款。飛行試驗后應(yīng)根據(jù)試飛數(shù)據(jù)和駕駛員駕駛品質(zhì)評價確定應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣時的飛行速度限制。

綜上，直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮需空中充氣飛行驗證的適航條款及驗證要素如表1所示。

表1 需驗證的適航條款及驗證要素

3 風(fēng)險分析及控制

應(yīng)急漂浮空中打開時，可能出現(xiàn)應(yīng)急漂浮不對稱充氣，導(dǎo)致直升機(jī)操縱困難；浮筒艙蓋在實施充氣后脫離直升機(jī)，有撞擊直升機(jī)的可能。因此,應(yīng)急漂浮空中充氣試飛為高風(fēng)險科目。

試飛前可采取的降風(fēng)險方法如下：

飛行試驗之前通過地面充氣試驗，驗證應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的手動充氣功能、應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的充氣時間能夠滿足要求，并驗證4個浮筒可完成同時充氣且不會出現(xiàn)不對稱充氣；

試飛前對應(yīng)急漂浮系統(tǒng)實施地面通電檢查合格，確保接線正確；

試飛前12小時完成氣瓶充氣，4個氣瓶頭部的壓力表指示應(yīng)在額定工作壓力范圍內(nèi)；

試飛前詳細(xì)檢查浮筒蓋子系留索的長度及綁扎方法是否正確；

試飛前試飛機(jī)組應(yīng)訓(xùn)練自轉(zhuǎn)程序；

試飛員應(yīng)穿戴好頭盔、防護(hù)服裝；

試飛員試飛前與專業(yè)人員充分溝通，熟悉各種異?，F(xiàn)象(浮筒明顯抖動、個別浮筒未充氣)的操縱要領(lǐng)；

試飛員熟悉飛行手冊中發(fā)動機(jī)、尾槳失效和其他各系統(tǒng)故障應(yīng)急程序。

4 驗證試驗實施情況

試驗選取壓力高度650 m，充氣前直升機(jī)配平在指示空速138.5 km/h;按壓充氣按鈕后，應(yīng)急漂浮系統(tǒng)4個浮筒全部正常充氣展開，直升機(jī)飛行速度開始減小，俯仰角出現(xiàn)低頭，滾轉(zhuǎn)角出現(xiàn)小幅振蕩，偏航角基本不變。量值上，在應(yīng)急漂浮系統(tǒng)充氣展開至3 s末，指示空速減小至134 km/h，俯仰角低頭達(dá)到-4.5°，滾轉(zhuǎn)角在-0.4°～0.9°間振蕩1.5個周期，駕駛桿縱向操縱略帶后拉桿至53%，總距、駕駛桿橫向、腳蹬操縱基本無變化。試飛數(shù)據(jù)測試結(jié)果見圖3。

圖3 空中140 km/h充氣試飛測試數(shù)據(jù)

試飛結(jié)果表明，應(yīng)急漂浮系統(tǒng)前飛充氣功能正常，由于浮筒安裝位置較低，前飛時應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣對直升機(jī)帶來低頭力矩。通過選擇小重量、前限重心臨界狀態(tài)進(jìn)行前飛140 km/h時空中充氣試驗，驗證了應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣過程飛行姿態(tài)、速度響應(yīng)較小，不需進(jìn)行額外的操縱修正，不需要特殊駕駛技巧即可安全地過渡到穩(wěn)定飛行狀態(tài)，滿足CCAR-29部中第29.141條、第29.143條款要求。根據(jù)試飛結(jié)果，可制訂應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣速度限制140 km/h，滿足第29.1503條款要求。在140 km/h飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會對飛行安全造成影響，滿足第29.1301、29.1309條款要求。

5 結(jié)論

本文通過對民用直升機(jī)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)適航取證的思考，歸納出應(yīng)急漂浮空中充氣需考慮的試飛驗證條款范圍，得出了驗證其飛行特性和功能等適航條款的普遍方法。本文所述國內(nèi)首次對浮筒空中充氣的試驗設(shè)計和成功驗證，對今后民用直升機(jī)增加海上救生方式的適航取證具有重要借鑒意義。