直升機外吊掛車輛飛行試驗技術(shù)研究

王璽鑒

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

直升機相對于傳統(tǒng)的固定翼飛機來說，是一種具有獨具特色的飛行器產(chǎn)品，它的垂直起降，低空低速，近地面機動等特性，使得飛行器的應(yīng)用范圍被極大的擴寬了。直升機基于它的飛行特性，可以兼顧軍用和民用，在運輸、巡航、觀光、急救等多個領(lǐng)域得到了廣泛的運用。直升機存在多種飛行狀態(tài)，可以滿足低空飛行、懸停、近地面機動、航線飛行等多種使用需求。同時，相對于固定翼飛機的嚴格的起飛條件，顯然直升機的起飛條件便捷，不需要長距離的滑跑起飛，因此可以用于山地環(huán)境的物資投放、醫(yī)療救援、森林防火檢查等固定翼飛機無法應(yīng)用的環(huán)境。某型直升機外吊掛飛行如圖1所示。

圖1 某型直升機外吊掛飛行

直升機試飛試驗是直升機投入使用前的最后一道安全防線，直升機通過試飛試驗可以得出直升機的各種數(shù)據(jù)，如飛行性能、飛行品質(zhì)、起飛重量及飛行限制等參數(shù)。直升機的研試飛工作因關(guān)系著飛行員的安全顯得尤為關(guān)鍵，對于直升機試飛方法的研究也是非常重要。直升機外吊掛技術(shù)廣泛應(yīng)用于直升機的使用過程中，因此，對直升機外吊掛技術(shù)的研究也具有很重要的意義。直升機外吊掛運輸可以不受地域、交通狀況等條件的約束，能夠高效便捷地運輸物品到一般的運輸工具使用受限的地方，可以在山地或者植被茂密的地區(qū)定點投放補給品[1]。與無外吊掛的狀態(tài)相比，直升機進行外吊掛飛行時，直升機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性都降低，機動性也受到了限制[2-5]。基于以上因素，國內(nèi)展開了很多對于直升機外吊掛的相關(guān)工作，蔣陵平[6]等對基于CFD方法的直升機外吊掛擺動仿真研究進行了研究，并分析了不同飛行速度、外吊掛形狀及不同繩索長度對飛行穩(wěn)定性的影響；孫國普[7]等對直升機吊掛飛行旋翼槳轂載荷進行了分析，并研究了水平前飛時掛點位置縱、垂向變化對槳轂載荷的影響；張松[8]等對直升機吊掛飛行中的載荷擺動控制方法進行了研究，使用該方法可以給飛行員提供良好的操縱性并解決吊掛飛行時存在的剩余振蕩問題；藍啟城[9]等對無人直升機吊掛運輸飛行協(xié)調(diào)控制進行了設(shè)計并進行仿真驗證；程東權(quán)[10]等對基于解析增廣模型的直升機吊掛飛行穩(wěn)定性進行了分析，為直升機外吊掛飛行抗擺動增穩(wěn)控制率設(shè)計提供基礎(chǔ)。

本文介紹了某型直升機首次進行外吊掛車輛試飛工作，通過理論分析和地面試驗驗證，確定外吊掛車輛對直升機試飛科目中的起飛重量、飛行高度、飛行速度和機動動作，進行試飛工作并得出某型直升機的外吊掛車輛任務(wù)性能。某型直升機吊裝救援物資如圖2所示。

圖2 某型直升機吊裝救援物資

外吊掛系統(tǒng)包括一般由機上外吊掛裝置、連接組件、防轉(zhuǎn)裝置、轉(zhuǎn)接環(huán)等幾部分組成。其中，機上外吊掛裝置由由貨物掛鉤裝置、吊掛監(jiān)控裝置、吊掛連接桿、機上電氣及控制系統(tǒng)、機上機械固定部分等組成，具有正常電磁投放、應(yīng)急投放、手動機械投放3種投放方式[11]。連接組件是用來連接吊掛物與直升機之間的結(jié)構(gòu)部件，主要是鋼索充當，防轉(zhuǎn)裝置主要的功能是防止直升機外吊掛飛行時，吊掛物可能產(chǎn)生的擺動、旋轉(zhuǎn)和其他危險姿態(tài)，對直升機的機動操作造成干擾，轉(zhuǎn)接環(huán)的作用是轉(zhuǎn)換連接位置，起到固定吊掛物的作用。

本文對直升機外吊掛車輛飛行試驗技術(shù)及相關(guān)理論進行討論，以某大型運輸直升機為例對于飛行前的理論分析和安全性評估及地面試驗、飛行員和外吊掛操作員的選取、飛行動作的選用、風險點及注意事項進行分析，可以對后續(xù)直升機外吊掛車輛飛行提供參考。

1.某大型運輸直升機外吊掛車輛試飛

為檢查某大型運輸直升機機外吊掛系統(tǒng)的匹配情況、飛行特性、外吊掛功能及外吊掛車輛的任務(wù)性能，對該型機首次進行外吊掛車輛飛行。

1.1 試飛前準備工作

試飛開始前需要完成重量重心分析、飛行性能和品質(zhì)分析、氣動和飛行載荷分析、結(jié)構(gòu)強度分析、地面試驗、飛行員及外吊掛操作員的選取、試飛場地及氣象條件限制等工作。

（1）理論分析。由于直升機外吊掛狀態(tài)會影響直升機的重量重心和氣動外形，飛行中可能會引起吊掛物的擺動，從而影響直升機的穩(wěn)定性和操縱性，計算直升機外吊掛車輛時的重量重心、飛行性能和品質(zhì)、氣動和飛行載荷等可以得出直升機的飛行速度、起飛重量和重心、操縱余量、動穩(wěn)定性、姿態(tài)相應(yīng)等的理論值[12]，可以有效避免出現(xiàn)危及飛行安全的情況。為避免出現(xiàn)飛行過程中出現(xiàn)外吊掛鋼索和連接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂的情況，可以通過理論計算和分析得出外吊掛鋼索和連接結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足強度設(shè)計要求。對直升機外吊掛車輛飛行時的振動情況進行理論分析，可以有效避免飛行中出現(xiàn)振動超限的風險。（2）地面試驗。在開始飛行前，需要完成地面試驗，降低飛行中可能出現(xiàn)影響分型安全的風險。地面包括車輛系留試驗、包括外吊掛鋼索等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的連接適配性試驗、車輛地面吊掛試驗、車輛及吊具的強度試驗、本機外吊掛系統(tǒng)試驗、地面通電檢查等。（3）飛行員和外吊掛操作員選取。因為直升機外吊掛車輛飛行屬于高風險飛行科目，因此對于飛行員和吊掛操作員的選擇更應(yīng)慎重，飛行員和吊掛操作員應(yīng)熟練掌握飛行限制和應(yīng)急處置預(yù)案，應(yīng)選取經(jīng)驗豐富和操作柔和的飛行員，飛行員飛行中應(yīng)柔和耐心，切記粗猛，以免大幅度修正，吊掛操作員應(yīng)熟悉操作流程并熟記各種信號及規(guī)定。對于吊掛操作的選擇有兩種方式，一種是在直升機起飛前，將外吊掛車輛通過外吊掛鋼索連接在直升機上，另一種方式是直升機正常起飛，懸停在所需吊掛車輛上空，由吊掛操作員將外吊掛鋼索、防轉(zhuǎn)裝置及轉(zhuǎn)接環(huán)和車輛吊具連接在直升機上。前者對于飛行員的操縱要求較高操縱風險大但對吊掛操作員相對安全，后者對吊掛操作員要求較高操作風險大但飛行風險略小，兩種方式各有利弊。（4）試驗場地及氣象條件限制。試飛場地應(yīng)選取空曠、無人、無建筑物的場地，不得通過建筑物、工地及居民區(qū)上空，以避免緊急拋放時發(fā)生危險。對于氣象條件的選取應(yīng)考慮風速和能見度對直升機操縱性的影響。

1.2 某型大型運輸直升機外吊掛運輸車輛試飛

根據(jù)前期準備工作將某型直升機吊裝運輸車輛飛行試飛科目選取為懸停、近地面機動、平飛、爬升、目標區(qū)域拋放等，試飛場地選取在空曠、無人和建筑的地區(qū)。在試飛前由吊掛操作員將外吊掛鋼索、防轉(zhuǎn)裝置及轉(zhuǎn)接環(huán)和車輛吊具連接好并仔細檢查是否已經(jīng)安裝牢固。直升機正常起飛，飛行員操縱直升機懸停拉起吊掛車輛，保持吊掛車輛離地3m～5m高度穩(wěn)定懸停3min，期間觀察直升機各系統(tǒng)是否工作正常。直升機以小速度前飛、后飛、左側(cè)飛、右側(cè)飛，速度逐漸提升至地速20km/h觀察直升機及外吊掛車輛姿態(tài)變化。直升機以指示空速60km/h～80km/h直升機穩(wěn)定爬升至高度200m，以指示空速100km/h穩(wěn)定平飛30km。直升機飛至目標區(qū)域穩(wěn)定懸停，將外吊掛車輛放置在地面，拋放外吊掛鋼索后，待外掛物與直升機完全脫離后，懸停著陸，關(guān)閉車輛。

1.3 注意事項及應(yīng)急處置

試飛前后注意事項及應(yīng)急處置：（1）直升機近地面機動過程中，仔細觀察直升機及外吊掛車輛的重心和姿態(tài)變化，若出現(xiàn)外吊掛車輛的重心和姿態(tài)變化大時，則改出試飛狀態(tài)。（2）發(fā)動機失效時，投放吊掛物；盡快著陸。（3）吊索或車輛被地面障礙物鉤掛，不能脫離時，投放吊掛物；盡快著陸。（4）當直升機異常振動或操縱困難時，投放吊掛物，改出試飛狀態(tài)；盡快著陸。（5）近地面機動飛行時，吊掛操作員應(yīng)觀察吊索偏擺情況，并及時提醒飛行員，由飛行員及時調(diào)整直升機姿態(tài)和速度。（6）飛行前、后，吊掛操作員應(yīng)對直升機進行全面檢查，對外吊掛系統(tǒng)及機體結(jié)構(gòu)做重點檢查。

1.4 飛行結(jié)果

（1）在指示空速范圍內(nèi)采用不同大小的指示空速進行外吊掛車輛飛行，對于總距操縱、橫向操縱、縱向操縱、航向操縱的操縱量趨于線性增加，飛行結(jié)果表明，指示空速越小，對直升機的操縱干擾越小，越有利于飛行員對直升機的控制。（2）在地速逐漸增大的過程中，對于總距操縱、橫向操縱、縱向操縱、航向操縱的操縱量大幅度增加，表明直升機外吊掛車輛進行近地面機動時，應(yīng)盡量選取小速度進行，隨著速度的增加，飛行員應(yīng)足夠耐心，切記粗猛操作，以免大幅度修正。

2.結(jié)論

本文介紹了某型直升機首次進行外吊掛車輛飛行的情況，通過飛行前通過理論分析和地面試驗驗證等方式確定直升機的起飛重量、飛行高度、飛行速度、機動動作，通過對飛行員和吊掛操作員、試飛場地、氣象條件等的選取以及飛行前后的注意事項及應(yīng)急處置等方法降低飛行的風險，最終得出了某型直升機外吊掛車輛的實際任務(wù)性能，對某型直升機后續(xù)的外吊掛飛行提供依據(jù)，也對其他直升機的外吊掛飛行具有參考價值。