直升機(jī)變高度平飛試飛方法研究

張志銘 邱良軍

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0.引言

在直升機(jī)性能試飛中，平飛占很大一部分比重，通過(guò)平飛試飛來(lái)得到平飛需用功率，從側(cè)面驗(yàn)證最大爬升率和最佳下滑角對(duì)應(yīng)的平飛速度。為得到全包線(xiàn)范圍內(nèi)不同重量、高度、溫度處直升機(jī)不同速度平飛需用功率，由于溫度無(wú)法控制，往往需要選取幾組重量和高度組合進(jìn)行試飛。國(guó)內(nèi)普遍采用固定高度不同速度往返平飛的試飛方法，試飛過(guò)程中隨著燃油的消耗實(shí)際重量逐漸降低，換算重量同樣偏離初始換算重量。國(guó)外試飛一般給定不同換算重量進(jìn)行試飛，在飛行過(guò)程中隨著燃油重量的降低逐步提高飛行高度，保證換算重量不變。采用保持換算重量不變的試飛方法，一方面可以減少換算重量誤差引入的修正量，另一方面可以減少客觀因素如溫度高度等對(duì)試飛工作的限制，提高試飛效率。下面來(lái)介紹具體的試飛方法。

1.試飛方法

對(duì)于固定的某一型直升機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)側(cè)滑狀態(tài)下平飛需用功率主要取決于平飛速度V、旋翼轉(zhuǎn)速ω、升降速度、壓力高度Hp、大氣溫度T以及實(shí)際重量W。壓力高度和大氣溫度確定密度比σ，升降速度引起的功率差由修正公式給出，簡(jiǎn)化后的無(wú)量綱公式如下：

P/(σ＊ω3)=f(V,W/(σ＊ω2))

由公式可知，對(duì)于旋翼轉(zhuǎn)速變化的直升機(jī)，換算重量取決于實(shí)際重量、旋翼轉(zhuǎn)速和密度比。以某型機(jī)為例，旋翼轉(zhuǎn)速取決于速度和密度比，在飛行過(guò)程中，速度是可以控制的，所以換算重量是由實(shí)際重量和密度比兩個(gè)因素決定的。為了保證試飛過(guò)程中換算重量保持不變，實(shí)際重量減小時(shí)需要減小密度比，即隨著燃油不斷消耗需要提高飛行高度。在實(shí)際試飛中，可以給定實(shí)際重量和飛行高度；也可以直接給定換算重量和飛行高度，二者都需要在試飛中不斷提高高度來(lái)保證換算重量不變。給定實(shí)際重量時(shí)，換算重量受飛行高度處密度比和飛行速度的影響；給定換算重量時(shí)，實(shí)際重量受飛行高度處密度比和飛行速度的影響，由于實(shí)際重量有重量限制，所以給定換算重量時(shí)還需要考慮重量限制[1]。例如，給定換算總量和密度高度時(shí)，不同密度高度對(duì)應(yīng)的換算重量的范圍是不一致的；而給定換算重量和壓力高度時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)天的大氣條件估算出目標(biāo)高度的溫度、旋翼轉(zhuǎn)速，計(jì)算得到實(shí)際重量，此時(shí)換算重量范圍由實(shí)際重量限制、溫度、飛行速度共同決定。

總之，給定實(shí)際重量和換算重量的方法并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只是換算重量的范圍是隨實(shí)際重量限制、高度、溫度變化的。給定實(shí)際重量和密度高度時(shí)，換算重量同樣確定，且不用考慮超出實(shí)際重量的限制，這種方法使用起來(lái)更為方便。下面來(lái)介紹旋翼轉(zhuǎn)速固定和旋翼轉(zhuǎn)速變化不同情況下實(shí)際重量和飛行高度的關(guān)系。

1.1 旋翼轉(zhuǎn)速固定

直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速固定時(shí)，換算重量的公式可以簡(jiǎn)化為：

此時(shí)換算重量只與密度比相關(guān)。給定密度高度Hd后，求得密度比σ1，即可根據(jù)實(shí)際重量算出換算重量。由于飛行中使用的是壓力高度，還需要根據(jù)當(dāng)天的溫度將密度高度轉(zhuǎn)化為壓力高度。對(duì)于給定的換算重量，忽略高度提升帶來(lái)的溫度變化的影響，燃油消耗與提升高度呈線(xiàn)性關(guān)系。

已知密度高度Hd（m），溫度T0（℃），直升機(jī)固定重量W0（kg），燃油重量Wf0（kg），計(jì)算過(guò)程如下：

通過(guò)以上公式求解即可得出燃油重量與壓力高度的關(guān)系：

需要注意的是計(jì)算過(guò)程中假設(shè)T0不變，試飛結(jié)果表明在壓力高度變化較小時(shí)，該假設(shè)是合理的，換算重量可以較好的保持在一定范圍。以實(shí)際重量6500kg、密度高度5000ft為例，即可給出氣壓高度隨燃油消耗的變化示意圖如圖1所示，方便試飛過(guò)程中查找。

圖1 旋翼轉(zhuǎn)速固定時(shí)氣壓高度隨燃油重量變化曲線(xiàn)

在近地面平飛時(shí)，無(wú)法直接給定密度高度，一般給定離地高度，此時(shí)需要給定換算重量，通過(guò)當(dāng)天的地面溫度估算飛行高度處的密度比求得大致實(shí)際重量，此時(shí)換算重量的范圍和當(dāng)?shù)販囟认嚓P(guān)，換算重量為小重量時(shí)，需要密度比較大時(shí)實(shí)際重量才會(huì)不超過(guò)限制范圍，即需要較低的大氣溫度。由于氣壓高度與大氣溫度無(wú)法確定，初始高度和初始實(shí)際重量都需要飛行員給出，此時(shí)不能通過(guò)查表得到壓力高度隨燃油重量的變化曲線(xiàn)[2]。

1.2 旋翼轉(zhuǎn)速變化

直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速變化時(shí)，不能再用上述曲線(xiàn)圖來(lái)確定目標(biāo)壓力高度，旋翼轉(zhuǎn)速受速度、密度比的影響。計(jì)算方法如下：

已知密度高度Hd（m），溫度T0（℃），直升機(jī)固定重量 W0（kg），燃油重量 Wf0（kg），飛行速度 V0（kt），

對(duì)于不同速度和不同燃油重量，即可通過(guò)迭代求解得出對(duì)應(yīng)的密度比，再求得壓力高度。旋翼轉(zhuǎn)速變化時(shí)，燃油重量與壓力高度不再是線(xiàn)性關(guān)系了。由公式可知，實(shí)際重量減小時(shí)為保持換算重量不變，σ0＊ω02的值需要減小，但是密度比減小會(huì)導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)速的增加，使得需要更小的密度比才能保持換算重量不變，即與旋翼轉(zhuǎn)速固定時(shí)相比，同樣的燃油消耗變轉(zhuǎn)速的直升機(jī)需要提高更高的高度來(lái)保持換算重量不變。此時(shí)T0不變得假設(shè)會(huì)帶來(lái)較大得誤差，還需要引入高度溫度的關(guān)系式如下：

該公式成立是基于滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)大氣條件的，即高度每升高1000m，大氣溫度降低6.5°。但很多時(shí)候大氣溫度變化變化與標(biāo)準(zhǔn)大氣有所偏差。所以對(duì)于變旋翼轉(zhuǎn)速得直升機(jī)，在地面無(wú)法準(zhǔn)確的預(yù)估壓力高度隨燃油消耗的變化曲線(xiàn)。例如當(dāng)離地600ft平飛時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)速由100%逐漸增加到105%，壓力高度增加了4000ft，若以溫度T0保持不變來(lái)進(jìn)行計(jì)算會(huì)帶來(lái)很大的誤差。試飛中可以采用手持的電子設(shè)備根據(jù)溫度來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，在這種情況下保持換算重量不變的試飛方法較為煩瑣。

2.試飛結(jié)果

對(duì)比7500kg、離地高度600ft往返平飛與保持換算重量不變兩種試飛方法的結(jié)果，不同速度點(diǎn)處換算重量如圖2所示，兩種方法得到的換算需用功率與真空速的曲線(xiàn)有所差別，保持換算重量的方法可以減少因重量變化引入的修正量，提高試飛數(shù)據(jù)的精度。

圖2 離地600ft 7500kg兩種試飛方法的結(jié)果

3.總結(jié)

保持換算重量不變，需要在飛行不斷根據(jù)重量變化提高飛行高度，所以對(duì)直升機(jī)的重量計(jì)算以及高度指示有較高的需求，直接影響到換算重量計(jì)算的準(zhǔn)確。在實(shí)際試飛中，受飛行姿態(tài)等的影響燃油重量測(cè)量可能會(huì)出現(xiàn)誤差，對(duì)換算重量的計(jì)算造成影響。此外，飛行過(guò)程中需要不斷提高飛行高度，溫度的估算可能并不準(zhǔn)確，同樣會(huì)帶來(lái)一定的的誤差。如果給定換算重量，還需要根據(jù)目標(biāo)高度和溫度確定實(shí)際重量，這部分估算同樣會(huì)帶來(lái)誤差，想要保持換算總重量在一定的范圍內(nèi)，需要在試飛前進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作。與傳統(tǒng)方法相比，給定換算重量、在試飛中保持換算重量不變的方法可以減少因換算重量偏離目標(biāo)點(diǎn)引入的修正量，從而提高試飛的精度。雖然較傳統(tǒng)方法較為復(fù)雜，需要根據(jù)當(dāng)天的溫度調(diào)整直升機(jī)重量、燃油消耗與壓力高度關(guān)系圖，試飛前的準(zhǔn)備工作較為繁瑣，增加了飛行員的操作量，但從優(yōu)化試飛效率、提高試飛數(shù)據(jù)精度來(lái)看，這種方法仍然值得采用。