AC311A型直升機加裝農林噴灑設備強度符合性研究

彭 文，張 俊

（江西昌河航空工業有限公司，江西 景德鎮 333000）

AC311A 直升機是國產高原型輕型直升機，不僅可滿足我國平原地區的農林噴灑作業，而且可滿足西北、西南等高海拔地區的農林噴灑作業。目前，進口直升機（如AS350、BELL206）都有農林噴灑構型，且已在我國多個地區進行航空植保作業，取得了很好的效果。而國產直升機還沒有農林噴灑構型，急需加裝農林噴灑設備，提高其市場競爭力。為了縮短AC311A 直升機加裝農林噴灑設備與STC 取證的周期，選用已在AS350 直升機上取得STC/VSTC 的進口農林噴灑設備。雖然該進口農林噴灑設備在AS350 直升機上已完成了STC/VST 的取證工作，由于在AC311A 直升機上進行加改裝，需要綜合考慮進口設備STC 取證的審定基礎、AC311A直升機的審定基礎以及CCAR-27 最新條款，確定加改裝的審定基礎。最終，在審定計劃中列出適用的強度相關的適航條款及其符合性驗證方法，并按規定的方法進行驗證。本文涉及的強度符合性驗證的對象主要是AC311A直升機更改部分、新增加的連接結構以及農林噴灑設備。

1 設備加改裝

農林噴灑設備安裝在AC311A 直升機機腹下部，通過2個前安裝點和2個后安裝點分別安裝在前滑橇接頭及后弓形件上。在前安裝點處增加了一個接頭組件分別連接前滑橇接頭與設備，后安裝點是通過設備自帶的接頭直接固定的后弓形件上，安裝示意圖，見圖1。

圖1 AC311A直升機加裝進口農林噴灑設備示意圖Fig.1 The schematic diagram of AC311A helicopter equipped with imported agricultural and forestry spraying equipment

2 符合性驗證方法

2.1 適用的條款

通過對CCAR-27第C部分（強度要求）進行分析，適用于該改裝項目的強度相關條款共有13 條：27.301、27.303、27.305、27.307（a）、27.309、27.321、27.337、27.339、27.341、27.471、27.549（b）、27.561、27.571，包含載荷安全系數、強度變形、結構驗證、機動載荷系數、疲勞評定等要求。

2.2 驗證方法

AC311A 直升機加裝農林噴灑設備后，機體結構的主要受力結構和傳力路線不變，改裝對航空器的結構影響較小。雖然供應商提供了農林噴灑設備在AS350 直升機上加裝時的強度計算分析報告，仍需結合AC311A直升機的載荷情況，對設備進行補充分析。同時，對新增加的組件、涉及的直升機結構進行強度分析。根據AC27 MG5列出的可接受的驗證方法，如果結構分析方法可靠，可采用靜力分析方法；該改裝項目中，需進行強度驗證的結構主要為金屬結構，計算分析的方法（MC2）是可靠的。對于設備成品的符合性驗證，可由供應商提供的工程材料說明其符合性，即設備合格性（MC9）。根據分析結果，在飛行手冊補充中增加的限制條件或者維護手冊補充中年增加維護項目，可作為說明文件（MC1）。另外，每一個條款都用一份符合性分析報告進行符合性說明，即符合性聲明（MC0）。因此，針對適用的強度條款，可分別采用“MC0 符合性聲明”“MC1 說明文件”“MC2 分析/計算”和“MC9設備合格性”的方式表明符合性，見表1。

表1 適用的強度條款及其符合性驗證方法Tab.1 The applicable strength clauses and their compliance verification methods

3 符合性驗證分析

3.1 計算分析（MC2）

3.1.1 過載系數

CCAR-27 要求限制機動載荷系數選取范圍為3.5～-1.0，任一正限制機動載荷系數應≥2.0，負限制機動載荷系數應≤0.5。同時，在綜合考慮AC27 MG5 中農林噴灑設備可接受的極限載荷系數以及AC311A直升機應急著陸最危險的單撬著陸狀態的過載系數的情況下，可確定AC311A 直升機加裝農林噴灑設備后的極限過載系數，見表2。

表2 極限過載系數Tab.2 The ultimate overload coefficient

3.1.2 載荷分析

（1）等效靜載荷。AC311A 直升機在加裝農林噴灑設備后，機體結構主要受力結構和傳力路線不變，需要進行強度驗證的主要是設備慣性載荷（考慮過載系數）對相關結構的作用。另外，由于設備安裝在機身腹部，噴桿組件向兩側伸出，受到的飛行阻力會增加，需要限定最大飛行速度。

AC311A 直升機的最大起飛質量2 250 kg、空機質量1 375 kg、單個駕駛員體重80 kg、設備質量167 kg（含管路殘余液體），可以算出任務質量為628 kg（含燃油與藥液）。假設在2 250 kg 質量下飛行0.5 h（單次作業所需最長時間），由飛行手冊可知，需要燃油約60 kg，由此計算出極限情況下設備與最大藥液量總質量約735 kg。因此，4 個安裝點的載荷主要來自藥箱及其箱內藥液重心處的慣性載荷，見圖2。

圖2 有限元模型的邊界條件Fig.2 The boundary conditions of finite element model

（2）交變載荷。農林噴灑設備在正常使用過程中，不承受交變載荷；然而，考慮到直升機在噴灑作業的全過程，在起飛、爬升、巡航、俯沖下降、噴灑、著陸的作業周期中，接頭組件所受應力將呈周期性變化，即“地-空-地”循環，交變載荷普示意圖，見圖3。按最嚴酷情況考慮，每次滿載飛行的最大飛行過載均取3.5 g，分析結果偏保守。按20 min 完成1 次完整的噴灑作業（包括加藥、飛行至作業點、噴灑、回到加藥點），即1 h內載荷變化次數為3次。

圖3 接頭組件所受載荷譜示意圖Fig.3 The schematic diagram of load spectrum of joint assembly

3.1.3 計算結果

（1）靜強度分析結果。按照表2 所列5 種工況的過載系數，同時考慮安全系數1.5、接頭系數1.15，計算前安裝點（前滑橇接頭與連接組件）的靜強度；后安裝點為成品，由設備符合性說明。前滑橇接頭材料為30CrMnSiA，其極限強度為1 080 MPa，屈服強度為835 MPa；連接組件材料為15CrMn-MoVA，其極限強度為1 157 MPa，屈服強度為930 MPa。分析結果（表3）表明：連接組件最危險狀況為向下過載4 g，所受最大應力為297 MPa，安全裕度為3.0；前滑橇接頭最危險狀況為向前過載2.0 g，最大應力為181 MPa，安全裕度為4.2，皆滿足強度要求。

表3 前安裝點強度分析結果Tab.3 The strength analysis results of front mounting point

前滑橇接頭與連接組件之間采用HB 1-103 M12 螺栓連接，該螺栓許用剪力為77.42 kN，實際極限剪切力為8.4 kN，安全余量滿足要求。

（2）疲勞強度分析結果。在飛行過程受最大過載3.5 g作用時，連接組件所受應力為260 MPa，動應力與靜應力為：σa1=σs1=130 MPa，通過線性Goodman 修正，等效動應力σeq1=151 MPa。根據《中國航空材料手冊》得到15CrMnMoVA計算安全疲勞極限為209 MPa，大于連接組件所受最大等效動應力。因此連接組件達到無限壽命設計標準，疲勞強度滿足使用要求。

前滑橇接頭在飛行過程受3.5 g過載作用時，所受最大應力為114 MPa，動應力與靜應力分別為：σa2=σs2=57 MPa，通過線性Goodman 修正，等效動應力σeq2=61 MPa，根據《中國航空材料手冊》得到30CrMnSiA 計算安全疲勞極限為170 MPa，大于前滑橇接頭所受最大等效動應力。因此前滑橇接頭達到無限壽命設計標準，疲勞強度滿足使用要求。

3.2 設備符合性說明（MC9）

供應商提供的工程材料中，對農林噴灑設備（主要包括藥箱與噴桿組件）進行了部分強度分析與試驗。噴桿組件僅進行了111%Vne（Vne=90KIAS）的強度分析驗證，缺少表2 噴桿組件極限過載系數狀態的強度分析，需進行補充分析。噴桿材料為2A12，其σb=410 MPa。分析結果（表4）表明，噴桿組件極限安全裕度均滿足要求，最危險狀況為向前2 g 過載，此時噴桿斜拉桿所受壓力為161 N，其壓桿穩定性安全裕度為2.5。

表4 噴桿組件補充分析結果Tab.4 The supplementary analysis results of spray bar assembly

3.3 說明文件（MC1）

根據計算分析（MC2）與設備符合性說明（MC9）的分析結果，可獲取部分限制或者增加的維護項目，作為飛行手冊補充以及維護手冊的內容。設備的工程材料提供了90KIAS 不可逾越速度對噴桿組件的強度驗證，因此，90KIAS 可作為AC311A 直升機加裝該設備后的不可逾越速度在飛行手冊補充中加以限制。疲勞分析給出了接頭組件的壽命，可在維護手冊中增加接頭組件的定期檢查或者更換的周期。

3.4 符合性聲明（MC0）

符合性聲明對每一個條款都適用，僅有27.339、27.341、27.549（b）需在符合性說明報告中進行推理分析以說明其條款的符合性。

4 結論

本文主要從非型號合格證（TC）持有人的角度開展直升機設計更改，并按照適航規章的要求對強度相關條款進行驗證。計算與分析的結果表明AC311A型機加裝該農林噴灑設備后是安全的，并在后續的試驗與試飛過程中進一步得到了驗證。因此，對于直升機加改裝設計項目來說，該方法對強度符合性驗證是有效的。