民用直升機可變旋翼轉速模式對適航審定的影響

尹崇 高郭池 全敬澤 楊華 劉文

摘? 要：可變旋翼轉速模式在直升機性能、噪聲環保以及經濟性等方面的突出表現，得到了國內外直升機設計廠商的重視。結合國內外可變旋翼轉速技術直升機的實際使用情況，以國內外直升機審查工作為基礎，歸納了可變旋翼轉速模式工作的主要方式。對該技術涉及的直升機適航規章條款進行歸納總結，分析了對相關條款符合性的影響情況，提出了可變旋翼轉速直升機審查過程中的重點關注方向。為相關民航直升機的適航驗證工作和審定工作提供借鑒和指導。

關鍵詞：直升機? 可變旋翼轉速? 適航? 飛行試驗

中圖分類號：V27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0010-03

Abstract： The performance of the variable rotor speed mode in the aspects of performance， noise， environmental protection and economy of the helicopter has been paid much attention by the domestic and foreign helicopter designers. Based on the practical application of the domestic and foreign helicopters with variable rotor speed technology， the main working modes of the variable rotor speed mode are summarized based on the inspection work of domestic and foreign helicopters. This paper summarizes the rules and regulations of helicopter airworthiness related to this technology， analyzes the influence on the compliance of relevant rules and regulations， and puts forward the key attention direction in the review process of helicopter with variable rotor speed. It provides reference and guidance for the airworthiness verification and certification of relevant civil aviation helicopters.

Key Words： Helicopter; Variable rotor speed; Airworthiness; Flight test

可變旋翼轉速技術由于能夠有效提升直升機性能和飛行特性，改善直升機噪聲水平，Steiner等研究了變轉速旋翼對直升機性能和配平的影響，研究表明降低轉速可明顯提升直升機性能[1]。南京航空航天大學以黑鷹直升機為研究對象，對變轉速旋翼直升機動力學建模及仿真進行研究探索[2]。以可變旋翼轉速技術發展而來的自適應技術，其最大的優勢是根據飛行狀態的變化，優化旋翼參數，以適應不同飛行狀態和環境的需要，最大限度地提升旋翼性能[3]。

隨著越來越多直升機制造廠商關注和重視優化技術，國內外已有很多直升機型號采用可變旋翼轉速模式。該項技術的應用會對直升機動力裝置、結構構造、傳動系統等方面提出更高的要求，同時也對民航的適航驗證和適航審定工作帶來新的考驗[4]。

旋翼轉速優化的核心是根據飛行條件的不同實時調整旋翼轉速，按照設計好的最優旋翼轉速飛行，降低發動機耗油量，增加直升機航時[5]。以《運輸類旋翼航空器適航規定》為例，可變旋翼轉速模式涉及但不限于：懸停性能、爬升性能、飛行特性、動力裝置、旋翼傳動系統、空速限制、飛行手冊使用限制、直升機儀表飛行適航準則等規定。針對噪聲水平的影響，審定要求還涉及《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》。根據旋翼航空器的分類，直升機在通航領域應用更加廣泛，也因此會更多涉及適航驗證工作。

1? 可變旋翼轉速方式

調整主旋翼轉速的方法有兩種：（1）通過調整發動機轉子輸出軸轉速;（2）通過改變傳動系統傳動比。而改變傳動比實現變旋翼轉速更符合實際[6]。為了達到旋翼轉速可變的目標，國內外廠商采用了多種實現方式，控制方式也從簡單的手動控制向自動控制方向發展。

1.1 國內型號

某運輸類直升機具備可變旋翼轉速模式。該模式主要分為自動變速和手動變速兩種方式實現。自動變速模式是在海平面至2000英尺壓力高度范圍內自動運行。該模式下，可實現旋翼轉速從355轉每分至360轉每分的線性變化。通過旋翼轉速的變化，適當彌補由于高度增高而引起的直升機性能下降。

手動調節旋翼轉速主要為區別于正常轉速模式，是通過選擇365轉每分最大旋翼轉速提升直升機性能。主要應用于以下情況：進行A類高架直升機平臺起飛;在2000英尺壓力高度以上，且距離地面距離10英尺以上懸停。該模式在提高直升機性能的同時，也提高了燃油流量和噪聲水平。

1.2 國外典型型號

A160/A160T“蜂鳥”直升機結合了“最佳轉速旋翼”（OSR）專利技術，采用剛性槳葉系統，可以根據實際飛行狀態的需要及時改變旋翼轉速，調整發動機功率。當轉速降低到150～350轉/分時，可以有效地獲得空中盤旋所需的升力，而旋翼所需的動力減少將近一半，油耗明顯減少。隨后的A160T采用PW207D渦輪發動機，在保證轉速變化要求的前提下，彌補了之前發動機功率不足的缺陷。合理的機身結構設計使得A160T最大起飛重量為2950kg，空重約為1045kg，能攜帶1045kg燃油和860kg的有效載荷。在一次試飛中它的大速度達到了260kg/h，創造了最大續航時間18.7h的世界紀錄。

2? 對適航審查工作的影響

2.1 操縱品質

適航規定中包含關于操縱性和機動性的要求范圍，即穩定飛行和各機動飛行階段。旋翼轉速的變化會對整個變化范圍內的飛行階段進行影響，適航驗證的影響范圍也隨之擴大。旋翼轉速的變化過程對直升機的縱向和橫向靜穩定性也會產生影響，特別是儀表飛行規則下的穩定性驗證，需要對旋翼轉速過渡階段進行考慮。同樣，動穩定性需要在最佳爬升速度至不可逾越速度間進行驗證，旋翼轉速的變化引起的狀態改變同樣需要進行驗證。

2.2 功能風險評估

通常情況下，旋翼轉速可變模式會對機組的操縱方式產生影響。基于此，需要考慮誤操作或此模式功能失效造成的影響。特別是A類和B類不同要求下會因不同等級的功能失效而產生不同的結果。

2.3 涉及的臨界點

臨界馬赫數：直升機進行大速度前飛時，前行槳葉槳尖通常最先達到臨界馬赫數（槳尖后掠需另行考慮）。此臨界馬赫數可能與直升機的不可超越速度的確定相關。

2.4 快速下降狀態

當直升機處于快速下降狀態，由于總距位置處于接近自轉狀態時，發動機與主減齒輪可能處于分離階段。此階段快速提升總距會發生不可接受的旋翼轉速下降，從而影響飛行狀態的控制。

2.5 人為因素

相對于定旋翼轉速直升機，可變旋翼轉速直升機涉及不同飛行狀態下直升機姿態反饋。駕駛艙儀表顯示也應確定是否需要及時通知駕駛員當前的旋翼轉速狀態。因增加旋翼可變轉速模式而對操縱裝置的改變需要進行評估。旋翼轉速變化的過渡階段對自動飛行控制系統的性能以及故障模式下的影響也需要進行評估。

2.6 對飛行特性的影響

對直升機飛行特性的分析通常以動量理論和葉素理論為基礎，通過構建的簡化的模型，對旋翼轉速變化時直升機飛行特性進行了分析。分析結果表明：直升機在較低轉速無法進行配平;另一方面，旋翼轉速過低反而有可能增加旋翼的需用功率。旋翼總距和縱橫向周期變距隨旋翼轉速的降低而加大，旋翼槳軸的縱向和橫向傾斜角隨旋翼轉速的降低而減小。

在適航驗證工作中，通常要求驗證整個運行包線內的飛行特性。與傳統固定旋翼轉速直升機在不同速度范圍內的驗證工作不同，可變旋翼轉速需要根據不同飛行階段適用的旋翼轉速進行驗證，通常需要增加驗證試驗點。另一方面，自動調節旋翼轉速直升機存在旋翼轉速過渡階段。根據前文的研究結果，旋翼轉速的變化可能引起配平能力的變化，且需用功率的變化也可能引起直升機飛行姿態的變化。因此，在飛行特性的驗證過程中應該充分考慮適航驗證工作中適用的旋翼轉速以及旋翼轉速變化過程對直升機狀態的影響。

4? 結論

分析了國內外典型了旋翼變轉速直升機案例，對飛行特性相關的規章條款以及飛行試驗的驗證方法進行了剖析。通過對適航審定中可能涉及的內容進行了分析，說明了可變旋翼轉速模式進行適航取證過程中需要考慮的因素。證明了直升機可變旋翼模式能夠直接影響不同環境條件下直升機多個飛行階段的飛行特性。對民航直升機的適航驗證和審定工作具備指導和參考價值。

隨著優化旋翼技術的不斷發展，還出現了旋翼變體技術等進一步優化直升機性能的新技術[7]，隨著技術力的不斷發展，適航驗證也應繼續與時俱進，不斷創新。

參考文獻

[1] 孫宇.變轉速剛性旋翼載荷分析與試驗研究[D].南京航空航天大學，2016.

[2] 查倩雯.變轉速旋翼直升機動力學建模及仿真分析[D].南京航空航天大學，2018.

[3] 韓東，董晨，魏武雷，桑玉委.自適應旋翼性能研究進展[J].航空學報，2018，39（4）：27-46.

[4] 宋彥國，王煥瑾，林子國.變距變轉速多軸旋翼飛行器性能分析與試驗[J].航空動力學報，2018，33（5）：1033-1040.

[5] 徐明，李建波，彭名華，劉鋮.基于不確定性的旋翼轉速優化直升機參數設計[J].航空學報，2016，37（7）：2170-2179.

[6] 姚文榮，寧景濤，張海波.基于無級變速的直升機變旋翼轉速控制模擬方法研究[J].推進技術，2017，38（2）：434-441.

[7] 韓東，林長亮，李建波.旋翼變體技術對直升機性能的提升[J].航空動力學報，2014，29（9）：2017-2023.