運(yùn)輸類直升機(jī)A類起飛著陸過(guò)程中基于OEI訓(xùn)練模式的試飛方法研究

■ 胡士媛 邱良軍/江西航空器適航審定中心 中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

0 概述

運(yùn)輸類直升機(jī)按CCAR29部中A類條款要求進(jìn)行適航取證，是對(duì)旋翼類航空器最為嚴(yán)格的條款。這類旋翼航空器必須按一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效（One Engine Inoperative，OEI）時(shí)在飛行包線上的任一點(diǎn)（包括在起飛或著陸飛行中）考慮適宜的場(chǎng)地來(lái)保證安全起降。在進(jìn)行A類起飛著陸的驗(yàn)證試飛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)需反復(fù)進(jìn)入2.5min OEI狀態(tài)，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重制約了條款符合性驗(yàn)證試飛的進(jìn)度，也給試飛帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)壓力。

通過(guò)采用OEI訓(xùn)練模式進(jìn)行A類起飛著陸的試飛驗(yàn)證，既能驗(yàn)證A類起飛著陸試飛驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，又能更好地延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和保證直升機(jī)的飛行安全，滿足運(yùn)輸類直升機(jī)適航審定驗(yàn)證的要求，同時(shí)符合民用直升機(jī)經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)理念。

該試飛驗(yàn)證方法已在國(guó)內(nèi)直升機(jī)飛行驗(yàn)證中得到大面積推廣。

1 條款解讀和研究

1.1 直升機(jī)A類起飛著陸飛行流程研究

隨著對(duì)直升機(jī)飛行安全技術(shù)研究的逐步深入，根據(jù)民航法規(guī)CCAR29 B章的規(guī)定，民用大型運(yùn)輸類直升機(jī)起飛著陸的試飛方法可分為兩類：一類為A類起飛著陸飛行，一類為B類起飛著陸飛行。其中，A類起飛著陸飛行是指直升機(jī)在起飛或著陸過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)單發(fā)停車情況下也能確保安全的一種飛行規(guī)范，B類起飛著陸飛行是一種傳統(tǒng)的、常規(guī)的飛行規(guī)范。可見(jiàn)，A類起飛的飛行復(fù)雜難度、對(duì)直升機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)飛行員的反應(yīng)要求均比B類更嚴(yán)格。通過(guò)對(duì)CCAR29 B分部條款的研究，必須嚴(yán)格制定出相對(duì)安全的A類起飛著陸飛行流程。

直升機(jī)起飛過(guò)程中，需要保證飛行通道是安全的，也就是說(shuō)起飛軌跡要避開(kāi)回避區(qū)并始終與回避區(qū)保持一定的間隙，間隙范圍不小于5節(jié)。典型的A類起飛從懸停開(kāi)始，如果到臨界決斷點(diǎn)（空速和高度的最小能量組合）之前一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，直升機(jī)必須放棄起飛安全著陸；如在臨界決斷點(diǎn)之后一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，在保證有繼續(xù)安全爬升能力的條件下，直升機(jī)繼續(xù)加速至離起飛場(chǎng)地上空至少10.5m處，并獲得起飛安全速度和一定的爬升速率，以起飛安全速度繼續(xù)爬升，達(dá)到起飛場(chǎng)地上空60m，再?gòu)陌踩俣燃铀俚阶罴雅郎剩郎疗痫w機(jī)場(chǎng)上空300m。

簡(jiǎn)言之，A類著陸飛行如在著陸決斷點(diǎn)或之前有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，飛行員可選擇著陸或中斷；如在著陸決斷點(diǎn)之后有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，必須要求著陸，同時(shí)確定著陸決斷點(diǎn)和著陸進(jìn)場(chǎng)軌跡完全避開(kāi)回避區(qū)。A類起飛著陸的飛行軌跡如圖1所示。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)OEI狀態(tài)變化情況研究

通過(guò)對(duì)CCAR29部B章飛行條款進(jìn)行研究，運(yùn)輸類直升機(jī)在A類起飛著陸和高度—速度包線（回避區(qū)）驗(yàn)證試飛過(guò)程中有一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入2.5min OEI功率狀態(tài)，如圖2所示。OEI狀態(tài)在以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中反映：總扭矩的恢復(fù)延遲時(shí)間、總扭矩的下探深度和恢復(fù)穩(wěn)定后的總扭矩限制。

圖1 A類起飛著陸飛行軌跡示意圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)OEI狀態(tài)變化歷程示意圖

2 OEI訓(xùn)練模式與OEI真實(shí)狀態(tài)的對(duì)比方法

OEI訓(xùn)練模式是直升機(jī)進(jìn)入單發(fā)失效時(shí)，全發(fā)工作狀態(tài)下通過(guò)電調(diào)控制模式來(lái)模擬單發(fā)失效過(guò)程的輸出功率和變化情況，以達(dá)到模擬單發(fā)失效的整個(gè)飛行歷程。訓(xùn)練模式下，恢復(fù)穩(wěn)定后的總扭矩限制為當(dāng)前高度和溫度下單發(fā)失效后剩余發(fā)動(dòng)機(jī)最低保證性能扣除安裝損失后的總扭矩，如果該總扭矩大于傳動(dòng)系統(tǒng)單發(fā)失效狀態(tài)的扭矩限制，則限制為傳動(dòng)系統(tǒng)OEI狀態(tài)扭矩限制，其中發(fā)動(dòng)機(jī)最低保證性能可由發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)內(nèi)置的發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算程序計(jì)算得到。

要在A類起飛著陸試飛中使用OEI訓(xùn)練模式，首先需要表明OEI訓(xùn)練模式的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性比OEI真實(shí)狀態(tài)保守，為此要對(duì)OEI訓(xùn)練模式的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行比較試飛。

OEI真實(shí)狀態(tài)試飛方法：在目標(biāo)機(jī)場(chǎng)的低空安全高度下，以小重量和Vy速度穩(wěn)定平飛，飛行員將關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)置為“地面慢車”狀態(tài)，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為OEI CT模式，然后記錄直升機(jī)的扭矩和旋翼轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線，飛行員在發(fā)動(dòng)機(jī)“地面慢車”狀態(tài)1s后才能開(kāi)始操縱直升機(jī)保持其穩(wěn)定飛行。

OEI訓(xùn)練模式試飛方法：在目標(biāo)機(jī)場(chǎng)相同的低空安全高度下，以小重量和Vy速度穩(wěn)定平飛，飛行員將發(fā)動(dòng)機(jī)置為訓(xùn)練狀態(tài)，并處于OEI CT模式，然后記錄直升機(jī)的扭矩和旋翼轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線，飛行員在發(fā)動(dòng)機(jī)“地面慢車”狀態(tài)1s后才能開(kāi)始操縱直升機(jī)保持其穩(wěn)定飛行。

OEI訓(xùn)練模式比OEI真實(shí)狀態(tài)保守的判據(jù)：訓(xùn)練模式的總扭矩曲線下探大于OEI真實(shí)狀態(tài)，訓(xùn)練模式的旋翼轉(zhuǎn)速曲線下探大于OEI真實(shí)狀態(tài)，且恢復(fù)慢于OEI真實(shí)狀態(tài)，則可認(rèn)為OEI訓(xùn)練模式比OEI真實(shí)狀態(tài)保守，如圖3所示。

3 基于訓(xùn)練模式的A類試飛方法安全性分析

3.1 訓(xùn)練模式的A類試驗(yàn)方法安全分析原理

以起飛為樣例對(duì)采用訓(xùn)練模式的A類試飛方法的飛行原理、飛行關(guān)鍵點(diǎn)和飛行流程進(jìn)行具體分析。

為了保證A類起飛的安全性，基于以上對(duì)相應(yīng)條款和發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率的分析，梳理出A類起飛過(guò)程中出現(xiàn)的安全影響要素，并對(duì)其中各要素中采用的OEI模擬和OEI真實(shí)情況進(jìn)行差異對(duì)比（見(jiàn)圖4），證明采用OEI模擬飛行得出的試驗(yàn)結(jié)果更安全可靠。

試飛驗(yàn)證方法分析：A類無(wú)障礙機(jī)場(chǎng)起飛著陸試飛的主要目的是確定A類起飛的決斷點(diǎn)、安全速度、最大起飛重量和起飛距離，并通過(guò)演示驗(yàn)證表明制定的起飛程序合理可行。其中，起飛決斷點(diǎn)和起飛程序?qū)⒖紘?guó)外直升機(jī)的試飛統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定，A類最大起飛重量將根據(jù)CCAR29.67中的規(guī)定通過(guò)試飛并結(jié)合計(jì)算得到，并在調(diào)整試飛中進(jìn)行摸底試飛，確定在A類最大起飛重量下起飛決斷點(diǎn)和起飛程序的適用性。

圖3 OEI訓(xùn)練模式比OEI真實(shí)狀態(tài)保守的判據(jù)示意圖

圖4 A類起飛安全要素分解圖

因此，A類起飛試飛中主要是確定起飛重量、起飛距離以及起飛程序受到的訓(xùn)練模式影響。根據(jù)AC29.51《起飛數(shù)據(jù)：總則》的b.（2），決定起飛性能的主要因素是剩余可用功率，剩余可用功率是指直升機(jī)在地面上方參考高度懸停所需功率與滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最低保證性能的可用功率之差，剩余功率最小的狀態(tài)是該密度高度下的最嚴(yán)酷狀態(tài)。所以，可以將起飛著陸距離的影響因素分為需用功率和可用功率兩個(gè)部分進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于可用功率，根據(jù)AC29.59起飛距離b.（7）功率和AC29.75著陸（C）（iii），發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制除密度高度影響外，還需要考慮溫度的影響。可以采用無(wú)地效懸停需用功率作為需用功率特征值，隨密度高度變化進(jìn)行換算。如此，對(duì)于給定的試驗(yàn)密度高度，對(duì)整個(gè)溫度包線進(jìn)行掃描，可以得到剩余功率最小的溫度點(diǎn)。將發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率限制為該溫度點(diǎn)的最低保證功率（考慮安裝損失），并選取該設(shè)計(jì)點(diǎn)的A類起飛重量進(jìn)行A類試飛，則試飛狀態(tài)的剩余功率是該密度高度下最小的，也是該密度高度下最嚴(yán)酷的，得到的起飛距離是在該試飛密度高度下最保守的，起飛程序的發(fā)動(dòng)機(jī)失效后過(guò)渡過(guò)程也是最保守的，并且起飛著陸距離只隨密度高度變化，可使用密度高度對(duì)起飛距離進(jìn)行規(guī)定密度高度范圍內(nèi)的內(nèi)插和外推。

3.2 訓(xùn)練模式的A類試驗(yàn)方法歷程安全性分析

訓(xùn)練模式試飛方法：由于試飛現(xiàn)場(chǎng)的壓力高度和大氣溫度是無(wú)法改變的，根據(jù)AC29.51《起飛數(shù)據(jù)：總則》的b.（2），決定起飛性能的主要因素是剩余可用功率，所以需要通過(guò)調(diào)整起飛重量或者發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率限制來(lái)保持剩余可用功率目標(biāo)值，完成A類起飛試飛。

例如，目標(biāo)試飛機(jī)場(chǎng)預(yù)期壓力高度1900m，大氣溫度20℃（即ISA+17℃），對(duì)應(yīng)密度高度為2500m。此時(shí)可選擇增大起飛重量或降低發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率限制兩種方法完成A類起飛試飛。

對(duì)于該密度高度，假設(shè)剩余可用功率最小點(diǎn)出現(xiàn)在常溫0℃（即ISA狀態(tài)），根據(jù)AC29.51中對(duì)剩余可用功率的定義（剩余可用功率＝無(wú)地效懸停功率-2.5min OEI應(yīng)急可用功率），假設(shè)求得A類起飛重量6324kg（根據(jù)CCAR29.67 爬升：一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作），無(wú)地效懸停需用功率1435kW，2.5min OEI可用功率為994kW，可算得剩余可用功率為441kW。

1）增大起飛重量方法

對(duì)于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)（密度高度1900m，大氣溫度20℃），2.5min OEI可用功率為1016kW（帶安裝損失）。通過(guò)增加起飛重量來(lái)保持剩余可用功率最小，這樣所演示的起飛程序過(guò)渡性能足夠保守，起飛距離足夠保守，滿足安全性要求。

2）降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率限制方法

對(duì)于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)（密度高度1900m，大氣溫度20℃），A類起飛重量為6387kg，對(duì)應(yīng)無(wú)地效懸停需用功率為1453kW。通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到保持剩余可用功率最小，這樣演示的起飛程序過(guò)渡性能足夠保守，起飛距離足夠保守，滿足安全性要求。

3.3 小結(jié)

上述分析表明，采用以試飛驗(yàn)證來(lái)表明動(dòng)態(tài)特性的訓(xùn)練模式進(jìn)行A類無(wú)障礙機(jī)場(chǎng)起飛試飛，可獲得比OEI真實(shí)狀態(tài)保守的飛行性能，從而可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的損耗，降低試飛成本和周期風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了基于OEI訓(xùn)練模式的A類起飛著陸試飛方法，首先提出了一套OEI訓(xùn)練模式與OEI真實(shí)狀態(tài)的比較方法，確定了OEI訓(xùn)練模式比OEI真實(shí)狀態(tài)保守的判定準(zhǔn)則；然后基于CCAR29部咨詢通告中關(guān)于A類起飛著陸試飛方法的要求，提出了一套基于OEI訓(xùn)練模式的A類起飛著陸試飛方法，示例演示表明，該試飛方法演示的起飛著陸程序過(guò)渡性能足夠保守，起飛著陸距離足夠保守，滿足適航符合性驗(yàn)證的安全性要求。