民用直升機(jī)單發(fā)失效起飛和著陸試飛技術(shù)

彭 勇,許寧鑫,吳承發(fā)

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

0 引言

民用直升機(jī)在按照適航規(guī)章進(jìn)行型號合格適航審定時,為了滿足規(guī)章中的條款符合性,需開展相關(guān)飛行試驗。我國目前適用于直升機(jī)合格審定的適航規(guī)章為《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》(CCAR-27)和《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定》(CCAR-29)。2001年針對直11直升機(jī),按照1984年首次編制的《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》(CCAR-27)進(jìn)行了適航取證試飛。由于直11直升機(jī)為單發(fā)直升機(jī),當(dāng)時根據(jù)適航條款只開展了回避區(qū)和不可超越速度等風(fēng)險科目試飛,未涉及單發(fā)失效的起飛和著陸性能。

在2010年之前,國內(nèi)按照CCAR-29進(jìn)行適航取證試飛還存在不足,尤其是單發(fā)失效的起飛和著陸性能試飛。該部分為驗證A類和B類性能的關(guān)鍵試飛內(nèi)容,需嚴(yán)格按照相關(guān)的試飛順序開展?？紤]真實關(guān)閉發(fā)動機(jī)帶來的相關(guān)維護(hù)成本,在開展試飛前首先需確定單發(fā)失效訓(xùn)練模式的有效性;其次確定起飛安全速度Vtoss(Take-off Safety Speed)和極限高度-速度包線;然后確定起飛決斷點TDP(Take-off Decision Point)和著陸決斷點LDP(Landing Decision Point)。相關(guān)試飛技術(shù)首次在國內(nèi)開展。本文介紹了對單發(fā)失效起飛和著陸性能的試飛技術(shù)研究及其在AC313直升機(jī)上的應(yīng)用。

1 多發(fā)直升機(jī)確定單發(fā)失效訓(xùn)練模式的有效性

在單發(fā)失效起飛和著陸性能試飛中,涉及發(fā)動機(jī)失效,如全部采取真實關(guān)閉發(fā)動機(jī)的方法,勢必使其它正常工作的發(fā)動機(jī)進(jìn)入中等應(yīng)急功率,甚至最大應(yīng)急功率,超出發(fā)動機(jī)維護(hù)手冊中關(guān)于應(yīng)急功率累計時間的相關(guān)規(guī)定,造成發(fā)動機(jī)提前返廠進(jìn)入大修。為了保證試飛進(jìn)度,需備用發(fā)動機(jī),增大了試飛成本。

目前直升機(jī)安裝使用的渦軸發(fā)動機(jī)大多采用電調(diào)系統(tǒng)。電調(diào)中具有發(fā)動機(jī)訓(xùn)練模式功能,即模擬發(fā)動機(jī)失效,發(fā)動機(jī)的參數(shù)顯示按發(fā)動機(jī)失效進(jìn)行顯示。直升機(jī)需用功率超過發(fā)動機(jī)輸出最大功率時,電調(diào)系統(tǒng)會自動減少發(fā)動機(jī)輸出功率,即發(fā)動機(jī)訓(xùn)練模式可以完全替代發(fā)動機(jī)真實失效試驗。

對于OEI訓(xùn)練模式的有效性,國內(nèi)一直未進(jìn)行驗證。因此,對于裝電調(diào)發(fā)動機(jī)的直升機(jī),在開展單發(fā)失效的試飛時,為了采用發(fā)動機(jī)訓(xùn)練模式代替真實發(fā)動機(jī)失效,應(yīng)對發(fā)動機(jī)訓(xùn)練模式的有效性進(jìn)行確定。在直升機(jī)相同的起飛重量、飛行速度和相同大氣條件下,對OEI訓(xùn)練模式和真實OEI進(jìn)行對比試飛,具體方法如下:

1) 分別將發(fā)動機(jī)置于地慢狀態(tài)模擬發(fā)動機(jī)真實失效,直升機(jī)使用最大連續(xù)功率進(jìn)行試飛,確定哪臺發(fā)動機(jī)具有更好的性能,即確定哪臺發(fā)動機(jī)為關(guān)鍵發(fā)動機(jī);

2) 分別在真實OEI(關(guān)鍵發(fā)動機(jī)失效)和OEI訓(xùn)練模式下,按特定的起飛重量、大氣條件和飛行速度,使用最大應(yīng)急功率飛行,對爬升速度進(jìn)行對比;

3) 分別在真實OEI和OEI訓(xùn)練模式下,對起飛安全速度Vtoss和最佳爬升速度Vy進(jìn)行對比;

4) 對真實OEI和OEI訓(xùn)練模式下的爬升率進(jìn)行對比。

通過以上的對比試飛,可確定OEI訓(xùn)練模式的有效性。

AC313分別在海拔40 m機(jī)場和海拔3900 m機(jī)場進(jìn)行了對比試飛,以指示空速130 km/h,使用最大功率狀態(tài)進(jìn)行爬升。試飛結(jié)果見表1[1]。

表1 OEI訓(xùn)練模式與真實OEI性能數(shù)據(jù)對比

OEI訓(xùn)練模式下發(fā)動機(jī)輸出的功率小于真實OEI下的功率;OEI訓(xùn)練模式下的爬升率小于真實OEI下的爬升率。這就意味著使用OEI訓(xùn)練模式試飛得出的回避區(qū)、起飛和著陸性能是偏于保守的。試飛結(jié)果表明可采用OEI訓(xùn)練模式代替真實OEI進(jìn)行試飛驗證。

2 關(guān)鍵性能參數(shù)和試飛內(nèi)容驗證

在開展直升機(jī)單發(fā)失效起飛和著陸性能前,需確定起飛安全速度Vtoss、直升機(jī)極限高度-速度包線、起飛決斷點TDP和著陸決斷點LDP。

2.1 確定起飛安全速度Vtoss

確定Vtoss是開展單發(fā)失效起飛和著陸性能的基礎(chǔ)。按CCAR29.59、29.61條款,發(fā)動機(jī)在起飛決斷點TDP后失效,直升機(jī)利用剩余發(fā)動機(jī)加速至Vtoss,此時直升機(jī)的爬升率應(yīng)不小于0.5 m/s,加速過程中直升機(jī)應(yīng)高于起飛場地10.5 m。

通過以下試飛方法可確定Vtoss:單發(fā)失效采用OEI訓(xùn)練模式;直升機(jī)使用應(yīng)急功率,從飛行速度130～160 km/h逐步減速至30～70 km/h;飛行中應(yīng)保持速度穩(wěn)定且爬升率不小于0.5 m/s;加速爬升過程中直升機(jī)離地高度應(yīng)大于10.5 m。

AC313在40 m機(jī)場,在起飛重量13000 kg、壓力高度300 m條件下使用OEI訓(xùn)練模式飛行。直升機(jī)以指示空速70 km/h飛行,使用30 min OEI功率進(jìn)行減速飛行。當(dāng)速度減至30 km/h時,直升機(jī)的爬升率為0 m/s。此時指示空速在30 km/h～0 km/h跳變,速度的指示對于駕駛員來說不可用。最后速度穩(wěn)定在45 km/h,爬升率為1 m/s。因此確定海平面的Vtoss為45 km/h,大于適航條款規(guī)定的Vtoss下爬升率為不小于0.5 m/s的要求。AC313在3900 m機(jī)場,起飛重量9400 kg時,最后速度穩(wěn)定在45 km/h,對應(yīng)爬升率為1 m/s。

因此,經(jīng)試飛確定,在海平面和高海拔地區(qū),Vtoss均為45 km/h,這便于駕駛員識記且應(yīng)用于直升機(jī)的包線飛行。

2.2 確定直升機(jī)的極限高度-速度包線

采用OEI訓(xùn)練模式進(jìn)行試飛,確定直升機(jī)的極限高度-速度包線(又稱回避區(qū)),方法如下:

1) 確定有地效懸停最大高度點

直升機(jī)離地穩(wěn)定懸停,懸停中單臺發(fā)動機(jī)失效,駕駛員操縱直升機(jī)應(yīng)急著陸;懸停高度按1～2 m的幅度增加,重復(fù)執(zhí)行單發(fā)失效并著陸。通過駕駛員工作負(fù)荷、直升機(jī)下降率和旋翼轉(zhuǎn)速變化等情況綜合判斷懸停最大高度點。

2) 確定回避區(qū)的下邊界

直升機(jī)在第1步試驗中確定的懸停高度從靜止加速到5 km/h,單臺發(fā)動機(jī)失效,駕駛員操縱直升機(jī)著陸;懸停高度按1 m的幅度增加,通過駕駛員工作負(fù)荷和直升機(jī)下降率綜合確定直升機(jī)能復(fù)飛的高度、速度結(jié)合點,然后逐步增大前飛速度直至速度增至Vtoss。

3) 確定拐點

直升機(jī)飛行速度大于Vtoss,飛行高度在第2步試驗基礎(chǔ)上增加,單臺發(fā)動機(jī)失效,直升機(jī)進(jìn)行復(fù)飛并加速至Vy,然后逐步減速,直至Vtoss。

4) 確定回避區(qū)的上邊界

直升機(jī)飛行速度為Vtoss,飛行高度在第3步試驗確定的高度的基礎(chǔ)上增加,單臺發(fā)動機(jī)失效,直升機(jī)復(fù)飛并加速至Vy,然后減速至飛行軌跡下降到離起飛場地的高度低于10 m;飛行高度以5m的幅度逐步增加并重復(fù)試驗,直到減速到空速0 km/h。

AC313分別在海拔40 m機(jī)場、海拔3096 m機(jī)場和海拔3900 m機(jī)場以不同的起飛重量開展了回避區(qū)試飛。

對于三發(fā)直升機(jī)來說,一旦出現(xiàn)單發(fā)失效,功率損失1/3的情況下,與雙發(fā)直升機(jī)比較,回避區(qū)較小。

AC313 在海拔40 m機(jī)場,起飛重量13000 kg,壓力高度100 m,大氣溫度37℃～39℃,回避區(qū)試飛結(jié)果如圖1所示。

圖1 回避區(qū)試飛結(jié)果

圖2 繼續(xù)起飛剖面(無障礙機(jī)場)

圖3 繼續(xù)起飛剖面(平臺)

圖4 中斷起飛剖面(無障礙機(jī)場)

圖6 繼續(xù)著陸和中斷著陸剖面(無障礙機(jī)場)

圖7 繼續(xù)著陸和中斷著陸剖面(平臺)

試飛中絕大部分測試點采用OEI訓(xùn)練模式,個別測試點采用真實OEI進(jìn)行對比。

2.3 確定起飛決斷點TDP和著陸決斷點LDP

2.3.1 確定TDP

按照29.55條[2-3],起飛決斷點(TDP)是按第29.59條確定的有繼續(xù)起飛能力的第一點,并且是在起飛航跡上按第29.62條確定的距離內(nèi)能夠保證中斷起飛的最后一點。單臺發(fā)動機(jī)在TDP和TDP后失效,直升機(jī)應(yīng)繼續(xù)起飛;在TDP前失效,直升機(jī)應(yīng)中斷起飛。

TDP通過以下方法進(jìn)行確定:

1) 確定第一個復(fù)飛點

①起飛航跡始終避開回避區(qū);

②直升機(jī)起飛加速至某一特定的高度/速度組合點,一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,然后直升機(jī)進(jìn)行復(fù)飛;

③減少高度/速度組合點,重復(fù)上一步的試飛;

④以駕駛員工作負(fù)荷或直升機(jī)復(fù)飛時離起飛場地高度低于4.5 m作為試驗完成的判據(jù)。

2) 確定最后一個著陸點

①直升機(jī)起飛加速至某一特定的高度/速度組合點,一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,然后直升機(jī)進(jìn)行著陸;

②增加高度/速度組合點,重復(fù)上一步的試飛;

③以駕駛員工作負(fù)荷或直升機(jī)著陸距離作為試驗完成的判據(jù)。

2.3.2 確定LDP

按照29.77條[2-3],著陸決斷點(LDP)是在進(jìn)場與著陸航跡上可以按第29.85條完成中斷著陸的最后一點。單臺發(fā)動機(jī)在LDP前失效,直升機(jī)應(yīng)中斷著陸;在LDP和LDP后失效,直升機(jī)應(yīng)繼續(xù)著陸。LDP通過以下方法進(jìn)行確定:

1) 確定最后一個復(fù)飛點

①著陸航跡始終避開回避區(qū);

②直升機(jī)從高于起飛場地15 m,以某一特定的離地高度/速度組合點進(jìn)場,一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,然后直升機(jī)進(jìn)行復(fù)飛,飛行至Vtoss和Vy;

③減少離地高度/速度組合點,重復(fù)上一步的試飛;

④以駕駛員工作負(fù)荷或直升機(jī)復(fù)飛時離起飛場地高度低于10.5 m作為試驗完成的判據(jù)。

2) 確定第一個著陸點

①直升機(jī)從高于起飛場地15 m,以某一特定的離地高度/速度組合點進(jìn)場,一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,直升機(jī)進(jìn)行著陸;

②增加離地高度/速度組合點,重復(fù)上一步的試飛;

③以駕駛員工作負(fù)荷或直升機(jī)著陸距離作為試驗完成的判據(jù)。

AC313在無障礙機(jī)場和平臺上試飛,驗證了單發(fā)失效的起飛著陸決斷點。AC313無障礙機(jī)場的TDP為20 m、40 km/h,LDP為35 m、40 km/h。AC313直升機(jī)平臺的TDP為35 m、0 km/h,LDP為35 m、40 km/h。

3 單發(fā)失效的起飛和著陸性能試飛

在確定OEI訓(xùn)練模式有效性、Vtoss、回避區(qū)以及起飛和著陸決斷點后,就可開展單發(fā)失效的起飛和著陸性能試飛,包括單發(fā)失效后的繼續(xù)起飛、中斷起飛,以及單發(fā)失效后的繼續(xù)著陸和中斷著陸。

1) 繼續(xù)起飛

①直升機(jī)起飛加速至TDP;

②在TDP 一臺發(fā)動機(jī)失效;

③直升機(jī)進(jìn)行復(fù)飛,以高于起飛場地10.5 m加速至Vtoss;

④直升機(jī)以Vtoss加速至Vy,爬升至離起飛場地高度300 m。

2) 中斷起飛

①直升機(jī)起飛加速至TDP;

②在TDP 一臺發(fā)動機(jī)失效;

③直升機(jī)進(jìn)行著陸,直至完全停止。

3) 繼續(xù)著陸

①直升機(jī)從高于起飛場地15 m,以LDP的離地高度/速度組合點進(jìn)場;

②一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,然后直升機(jī)進(jìn)行著陸,直至完全停止在著陸場地上。

4) 中斷著陸

①直升機(jī)從高于起飛場地15 m,以LDP的離地高度/速度組合點進(jìn)場;

②一臺發(fā)動機(jī)置于OEI訓(xùn)練模式,然后直升機(jī)加速至Vtoss,同時保持離起飛場地10.5 m的高度,然后直升機(jī)加速爬升,按要求加速至Vy。

AC313分別在海拔40 m機(jī)場、海拔3096 m機(jī)場和海拔3900 m機(jī)場,以最大和最小起飛重量,開展了A類和B類起飛和著陸性能試飛驗證。其中,A類起飛和著陸性能分別以無障礙機(jī)場和直升機(jī)平臺(35 m×35 m)進(jìn)行試飛驗證,每個起飛和著陸性能試飛點均重復(fù)5次,4次采用OEI訓(xùn)練模式,1次采用真實OEI;B類起飛和著陸性能在無障礙機(jī)場進(jìn)行試飛驗證,采用最大起飛重量,每個試飛點重復(fù)2次,1次采用OEI訓(xùn)練模式,1次采用真實OEI。起飛和著陸通道完全避開回避區(qū),單發(fā)失效后能保證直升機(jī)的安全起飛或著陸并確定了起飛距離和著陸距離。

4 關(guān)鍵技術(shù)

AC313在適航當(dāng)局的嚴(yán)密審查下和直升機(jī)所DER的監(jiān)督下,首次在國內(nèi)完全按照CCAR-29-R1開展了A類起飛和著陸性能試飛,突破了以下關(guān)鍵技術(shù):

1)首次在國內(nèi)對單發(fā)失效訓(xùn)練模式與真實失效進(jìn)行了對比試飛,確定單發(fā)失效訓(xùn)練模式有效。

2)首次在直8系列直升機(jī)上開展旋翼轉(zhuǎn)速包線拓展試飛,拓展了旋翼轉(zhuǎn)速包線邊界;首次在直8系列直升機(jī)上開展回避區(qū)的試飛;首次在直8系列上開展起飛決斷點和著陸決斷點的試飛;在直8系列上開展了單發(fā)失效后的A類和B類性能試飛驗證。

3)首次在直8系列機(jī)上制訂了科學(xué)合理的A類和B類正常起飛程序,以及發(fā)動機(jī)失效應(yīng)急處置程序。

5 結(jié)論

通過AC313試飛,掌握了單發(fā)失效起飛和著陸性能等多項試飛關(guān)鍵技術(shù)。CCAR-29-R1的適航要求與當(dāng)前國際通用的FAR29的適航規(guī)定基本相當(dāng),表明我國在民用直升機(jī)適航取證試飛領(lǐng)域已取得重大突破,填補(bǔ)了國內(nèi)該科目試飛的空白;發(fā)動機(jī)訓(xùn)練模式替代發(fā)動機(jī)真實失效優(yōu)化方案獲得中國民航審定認(rèn)可,提高了效率并降低了試飛風(fēng)險和試飛成本;發(fā)動機(jī)失效的科研試飛為制定完善相應(yīng)的應(yīng)急處置提供了理論支撐和飛行實踐,為直升機(jī)安全使用和提高出勤率提供了保障。本次試飛技術(shù)研究為后續(xù)民用直升機(jī)適航取證試飛及軍機(jī)適航性試飛奠定了堅實基礎(chǔ),滿足我國未來軍民用直升機(jī)發(fā)展需求。