直升機防除冰系統的噴灑塔試飛驗證

王之瑞，孫 光

(空軍試飛局第二試飛大隊，黑龍江 哈爾濱 150066)

0 引言

直升機飛行有時會遇到結冰氣象條件，結冰造成直升機振動、功率需求增加、旋翼升力減小、尾槳拉力減小、發動機功率不能滿足飛行要求等情況，更為嚴重的可導致發動機停車、旋翼喪失升力、尾槳喪失拉力，造成直升機墜毀事故，直接威脅直升機的飛行安全。因此，為保證結冰環境條件的飛行安全，旋翼系統必須具備防除冰能力。直升機技術領先的國家一直在研究發展先進的直升機防除冰技術，來保證直升機全天候安全飛行的能力。如何安全高效地驗證直升機旋翼防除冰系統的性能并進行考核是一個很難的課題，國際上，常常利用地面噴灑塔來模擬特定的結冰云霧環境，開展不同結冰條件下直升機防除冰系統的性能試驗。加拿大、俄羅斯、美國、法國等國家，對直升機防除冰系統的研究和試飛有著豐富的經驗，具有完善的試驗驗證設施[1,2]。目前，國內的噴灑塔已經投入使用，首次開展了旋翼防除冰系統的防除冰試驗驗證，創新性地解決了噴灑塔試驗試飛條件確定、試飛注意事項制定及安全考慮等問題。

1 噴灑塔的組成與工作

噴灑塔通過產生不同水滴直徑、不同液態水含量的結冰云霧，模擬自然結冰云霧環境，進行直升機在不同結冰條件下的防除冰性能試驗，對直升機旋翼防/除冰系統的性能進行驗證，見圖1[3]。

圖1 UH-1噴灑塔試驗

噴灑塔主要由噴霧系統、水處理系統、氣處理系統、云霧控制系統、噴灑塔架、云霧輸送系統等組成。噴霧系統是噴灑塔的核心系統，噴霧設備通過調節氣體霧化噴嘴的氣液比形成水霧，來滿足試驗的霧滴直徑和液態含量要求。水處理系統主要是對水進行純化處理，使出水電阻率達到要求，通過加熱、加壓，按一定流量送到噴霧裝置。氣處理系統為噴霧裝置的氣體霧化噴嘴供氣，同時對噴霧水管進行保溫。云霧控制系統對噴霧供水、供氣，提供壓力、流量、溫度，同時實現控制功能。噴灑塔架用于支撐噴霧設備和風機陣裝置，通過升降和旋轉，實現不同高度、不同方向的噴霧。云霧輸送系統主要是把云霧輸送到直升機試驗區。噴灑塔結構及工作原理分別如圖2、圖3所示。

圖2 噴灑塔結構

圖3 噴灑塔工作框圖

2 噴灑塔試飛所需要的條件

噴灑塔試飛的目的是在確保安全的前提下，全面地對旋翼防/除冰系統進行驗證考核。國內此前并無開展此類試驗的經驗，相關條件是試驗相關單位基于試驗要求、目的，并經過充分的論證、協調而提出并確定的。主要條件包括保障設備、測控設備及一些試驗輔助設備，具體如下：

1) 正常試飛所需要的消防設備、救護設備、搶險設備、通訊指揮設備；

2) 振動設備，能夠測試全機重要部位振動數值；

3) 操縱位移設備，能夠測試操縱系統各軸操縱余量；

4) 發動機參數傳輸設備，能夠測量并傳輸發動機參數；

5) 大氣數據測試設備，能夠測試直升機高度、速度、大氣溫度、大氣壓力；

6) 溫度測量設備、電流測試設備；

7) 遙測設備，能夠將溫度數據、電流數據、振動數據、操縱位移、發動機參數、大氣數據傳到地面站，進行實時監控，并能及時通知和指揮試飛員；

8) 監測設備，能夠透過濃霧全面觀察到直升機試飛狀態和整機情況，發現直升機有損壞或危險狀態及時提醒，必要時可進行救助；

9) 飛行位置參照系統，能夠在濃霧狀態下參照能看得見的地標、燈光、梯字布、旗幟等保持飛機固定相對位置。

3 噴灑塔試飛注意的事項

噴灑塔試驗具有較高的危險性，結冰環境不僅對直升機平臺帶來安全影響，而且對試驗設施、人員、設備帶來極大危險，需要綜合考慮安全因素，并制定相關處置預案，具體如下：

1) 直升機結冰后，旋翼性能會變差，有可能因結冰造成發動機輸出功率減小甚至停車，直升機所需功率也會因旋翼和尾槳翼型改變而大大增加，直升機操縱也隨之改變，必須密切注意發動機的變化和功率使用情況，注意直升機操縱改變情況，如有明顯危及試飛安全的情況發生，立即停止試驗。

2) 直升機結冰后，由于不同部位的結冰質量不同，容易造成直升機質量分布的變化，直升機振動明顯增加，必須密切注意直升機的振動情況，特別是旋翼、尾槳甩冰時的振動情況。

3) 直升機處在濃霧之下，距離噴灑塔很近，保持直升機位置非常重要，也非常困難，試飛員必須集中精力，飛行位置參照系統必須完善。

4) 作好應急預案，必要時，能夠在濃霧情況下安全著陸。

5) 直升機旋翼、尾槳甩出的冰速度很大，容易造成周圍設施的損壞和附近人員的傷亡，必須管理好試飛場地的人員及設備。

6) 在除去直升機結冰時應小心謹慎，防止傷害到直升機本身。

4 噴灑塔試飛安全考慮

4.1 懸停高度選擇

噴灑塔結冰試驗為國內直升機首次進行，沒有可以借鑒的經驗，懸停的高度也只能是靠摸索確定，根據想要的試驗數據，要求懸停在不同的高度，得到不同的數據，數據越多越好。但是從飛行安全的角度，應該考慮幾個問題：首先，結冰條件下，直升機有可能單發停車，那么就要考慮盡量在直升機的回避區內進行試驗，特別要考慮到直升機是在結冰的空氣中，重量密度比這個參數尤為重要；其次，噴灑塔噴出云霧后，座艙內的可見度變差，飛行員要操作直升機，不能無任何參照物，需要看到地面或者其他明顯的標示，懸停高度不能脫離可觀察的范圍。

4.2 機頭位置選擇

機頭方向的選擇，首先根據當天的風向、風速(噴灑塔試驗，要求風速有所限制，盡量減小風速對結冰云霧參數的影響)，充分考慮直升機懸停的風速包線。特別是在結冰條件下，直升機的操縱性變差，包線會比正常時小很多。其次考慮場地因素，考慮除冰系統不能正常工作或者不能有效工作時，直升機需應急著陸處置。出現這樣的情況，直升機操縱性變差，振動增加，旋翼的升力也變小，需要立即著陸，如果能飛出噴霧區小速度滑跑著陸，將是有利的。根據有限的國外數據可見，國外做結冰懸停試驗時，機頭多數是正對向噴灑塔的。國內現有的噴灑塔，如正對塔懸停，處置特情的場地范圍較小。通過分析論證，在保證結冰云霧參數和全機有效覆蓋的條件下，選擇了更加安全的機頭朝向。

4.3 懸停時的懸停位置保持

由于噴灑塔能覆蓋的范圍約30～40m，直升機懸停的最佳位置是縱向中心距塔20 m左右。旋翼距離塔的距離也就10～12 m(旋翼槳尖距離塔架)，距離非常近，如果不能準確地保持懸停位置，會造成嚴重后果。可行的方法：一是在地面用紅線標示明顯的位置用來參考；二是，增加指揮員，多方位觀察，實時指揮。

4.4 作為風險科目，需要充分的技術保證

一是模擬懸停狀態下的大下降率垂直著陸；二是小速度的滑跑著陸。旋翼系統結冰后，除冰系統若不能有效地工作，需要立刻著陸處置。對新型直升機，要求進行類似科目的試飛，從技術上，從試飛角度上，放開限制，特別是滑跑限制。

5 噴灑塔試驗結果

某型直升機進行了國內首次噴灑塔試飛，試驗過程中記錄了直升機旋翼和尾槳各區溫度、發動機進氣道溫度、發動機參數、直升機振動等級等數據，還拍攝了旋翼和尾槳除冰效果圖片、風擋玻璃除冰效果圖片等。結果表明，直升機在旋翼和尾槳結冰時所需的功率有所增加，不超過總扭矩5%；振動有所增加，但不超過一個量級。旋翼和尾槳各區溫度最高不超過30℃，最低0℃，和設計結果一致；發動機進氣道溫度符合要求；風擋玻璃電除冰符合要求。圖4、圖5為旋翼實測溫度典型曲線，未發生溫度過熱的情況。圖6所示為噴灑塔旋翼除防冰效果，結果表明了旋翼防除冰系統具有良好的性能，可以有效地防除冰。

圖4 實測溫度曲線

圖5 峰值溫度曲線

圖6 旋翼除防冰效果圖

6 結論

噴灑塔試驗為國內直升機型號研制過程的首次應用，噴灑塔試驗可以安全高效地進行直升機防除冰能力的驗證，和自然條件下試飛相比，能大大節省財力和時間，并為直升機在真實結冰條件下試飛提供可靠的依據并積累經驗，對國內直升機技術的發展具有重要的意義。

參考文獻：

[1] Shaw R J, Richter P. The UH-1 Helicopter Icing Flight Test Program: An Overview[R]. Cleveland: NASA Lewis Research Center, AIAA-85-0338.

[2] Airborne Icing Tankers[R].SAE ARP 5904-2007.

[3] Philadelphia R N. Analysis of a Hovering Rotor in Icing Conditions[R]. NASA/TM—2012-217126.