直升機(jī)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣的適航驗(yàn)證和考慮

李卉敏,胡孟軍

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

目前，民用直升機(jī)廣泛運(yùn)用于海上運(yùn)輸、石油勘探、海上搜救等領(lǐng)域，由于在水面上活動(dòng)時(shí)間增多、飛行時(shí)間增長，在水面上發(fā)生故障的可能性也會(huì)增大。根據(jù)中國民用航空局要求，海面上活動(dòng)的直升機(jī)需具備符合適航條款的海上救生方式，其中最常用的是給直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)——直升機(jī)在水上迫降時(shí)，完成空中充氣后的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)可維持直升機(jī)漂浮一定時(shí)間，從而為機(jī)組及乘員的撤離創(chuàng)造條件。

直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)會(huì)對其整機(jī)氣動(dòng)外形產(chǎn)生較大影響，而應(yīng)急漂浮系統(tǒng)能否在飛行中正常充氣投入使用是直升機(jī)完成水上緊急迫降的關(guān)鍵問題。對此，本文以國內(nèi)首次成功進(jìn)行應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣驗(yàn)證試飛的AC313型直升機(jī)為例，討論直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)后，通過試飛(MC6)驗(yàn)證其空中充氣狀態(tài)適航符合性的方法和思路。

1 試驗(yàn)對象

AC313直升機(jī)是航空工業(yè)研制生產(chǎn)的中型多用途民用直升機(jī)，于2012年取得型號合格證，最大起飛重量為13000 kg。根據(jù)市場客戶需求，AC313直升機(jī)取證后開展了加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)更改及取證工作。

AC313直升機(jī)加裝的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)由4個(gè)浮筒、充氣系統(tǒng)和相關(guān)組件組成。2個(gè)前部浮筒組件安裝在前機(jī)身2-4框蒙皮外側(cè)，左右對稱； 2個(gè)后部浮筒組件安裝在短翼外部，左右對稱；每個(gè)浮筒使用各自對應(yīng)的氣瓶進(jìn)行充氣。浮筒組件展開后的外形如圖1所示。浮筒提供的浮力與直升機(jī)固有浮力共同保證最大起飛重量為13000 kg的AC313型機(jī)能夠平穩(wěn)地在水面上漂浮直至機(jī)上所有乘員安全逃生(5級海情時(shí)應(yīng)能夠在水面上穩(wěn)定漂浮10 min，為機(jī)上所有人員撤離創(chuàng)造條件)。

圖1 AC313直升機(jī)加裝的應(yīng)急漂浮(浮筒充氣)照片

浮筒組件平時(shí)為折疊真空包裝，安裝于浮筒容器內(nèi)。浮筒容器表面設(shè)有封閉的蓋子，用于保護(hù)內(nèi)部的浮筒；浮筒充氣后，會(huì)將約束其外形的繩帶以及蓋子漲開，完成整個(gè)充氣打開動(dòng)作。在飛行中或水上應(yīng)急迫降期間充氣的啟動(dòng)方法有兩種，分別為飛行中手動(dòng)打開充氣和水浸探測開關(guān)被浸沒后自動(dòng)觸發(fā)充氣。

2 適航驗(yàn)證思路

直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng)后，對原有飛行包線適航性的影響階段包括浮筒關(guān)閉狀態(tài)的飛行、浮筒空中充氣、浮筒打開后的飛行以及應(yīng)急著水共4個(gè)階段。其中，應(yīng)急著水的實(shí)際演示風(fēng)險(xiǎn)及成本都過高，不適宜使用飛行試驗(yàn)來表明適航符合性，推薦使用直升機(jī)縮比模型入水試驗(yàn)結(jié)合仿真分析的方法驗(yàn)證入水時(shí)的最佳姿態(tài)和著水載荷，故不在本文討論范圍之內(nèi)。由于應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒關(guān)閉狀態(tài)和充氣完成后狀態(tài)的整機(jī)操縱性與機(jī)動(dòng)性、縱向靜穩(wěn)定性及動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)證方法較傳統(tǒng)，本文僅針對國內(nèi)首次開展的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣過程的適航性驗(yàn)證進(jìn)行討論。

針對空中充氣試飛驗(yàn)證，CCAR-29部中相關(guān)的條款主要有B章飛行特性、F章設(shè)備和G章使用限制。下文將篩選出需驗(yàn)證條款，并給出所選擇的試飛狀態(tài)(重量、重心、速度等)。

2.1 飛行特性

為了驗(yàn)證在飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會(huì)對飛行安全造成影響，需進(jìn)行浮筒空中充氣的飛行特性試飛，即驗(yàn)證對CCAR-29部中第29.141“飛行特性：總則”、29.143“操縱性與機(jī)動(dòng)性”條款的符合性。驗(yàn)證內(nèi)容包括：應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣時(shí)的飛行特性，包括直升機(jī)姿態(tài)、速度響應(yīng)，以及全機(jī)操縱性、飛行狀態(tài)過渡安全性。

浮筒空中充氣試飛驗(yàn)證之前在國內(nèi)并未開展過，缺乏可借鑒經(jīng)驗(yàn)，需對飛行速度、重量重心進(jìn)行仔細(xì)篩選，才能在驗(yàn)證適航性的同時(shí)保證試飛安全。試驗(yàn)前，通過計(jì)算分析得出在飛行速度180 km/h之內(nèi)進(jìn)行空中充氣帶來的姿態(tài)、速度響應(yīng)均在可接受的范圍內(nèi)，考慮到應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒充氣前飛速度限制需在最佳自轉(zhuǎn)下滑速度附近方能符合飛行中應(yīng)急使用程序，故選擇進(jìn)行140 km/h充氣試驗(yàn)。

空中浮筒充氣試驗(yàn)主要考核直升機(jī)縱向在浮筒充氣帶來的阻力和力矩激勵(lì)下的俯仰角速度和姿態(tài)響應(yīng)極值。重心向前偏移會(huì)增大初始低頭姿態(tài)，進(jìn)而增大俯仰姿態(tài)響應(yīng)極值，而飛行重量增加則會(huì)增大直升機(jī)繞橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小俯仰角加速度響應(yīng)，繼而減小俯仰姿態(tài)響應(yīng)極值，故試飛狀態(tài)選擇中需要權(quán)衡重心影響和重量慣量影響。通過飛行特性計(jì)算分析，在140 km/h前飛時(shí)，10150 kg、前限重心狀態(tài)直升機(jī)配平低頭姿態(tài)較9040 kg、正常重心狀態(tài)俯仰角低頭增加2.6°。重量重心從9040 kg、正常重心變更至10150 kg、前限重心狀態(tài)后,俯仰通道繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大7.5%。在同樣的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒充氣打開氣動(dòng)力作用下，兩者的直升機(jī)俯仰低頭響應(yīng)量值在初始4 s內(nèi)非常接近。

兩種狀態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果對比曲線見圖2。從圖上可見，10150 kg、前限重心狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)急漂浮系統(tǒng)浮筒展開試驗(yàn)時(shí)，俯仰姿態(tài)較9040 kg、正常重心時(shí)更大，即縱向操縱向前最大、俯仰角低頭最多，故此時(shí)進(jìn)行浮筒充氣打開對飛行特性影響最嚴(yán)酷。因此，空中浮筒充氣飛行特性驗(yàn)證科目選擇采用10150 kg、前限重心狀態(tài)進(jìn)行。

圖2 浮筒空中充氣狀態(tài)響應(yīng)計(jì)算

2.2 空中充氣功能

考核應(yīng)急漂浮空中充氣功能，驗(yàn)證CCAR-29部29.1301、29.1309條款，即浮筒能夠正常充氣展開，不會(huì)對飛行安全造成影響。

CCAR 29.1301、29.1309條款是關(guān)于旋翼航空器的設(shè)備及其功能和安裝方面的通用條款，要求設(shè)備的設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)保證在各種預(yù)期的工作條件下均能正常工作，按規(guī)定的限制安裝設(shè)備并應(yīng)保證裝機(jī)后功能正常。

飛行試驗(yàn)之前,通過地面充氣試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的手動(dòng)充氣功能正常；結(jié)合地面充氣試驗(yàn)過程中記錄的充氣過程，通過對作用在浮筒艙蓋和浮筒上的水載荷和水壓力的計(jì)算分析以及對直升機(jī)迫降著水過程的仿真分析，說明在直升機(jī)重量和周圍水壓影響下，入水后展開的浮筒能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在水中正常充氣展開，而不會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)的傾覆。在開展分析說明、地面試驗(yàn)、仿真分析的前提下，進(jìn)一步地進(jìn)行空中充氣打開試驗(yàn)，驗(yàn)證在規(guī)定的飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會(huì)對飛行安全造成影響。

2.3 空中充氣速度限制

應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的使用需確定應(yīng)急漂浮系統(tǒng)待命狀態(tài)最大飛行速度，即驗(yàn)證CCAR-29部29.1503“空速限制：總則”條款。飛行試驗(yàn)后應(yīng)根據(jù)試飛數(shù)據(jù)和駕駛員駕駛品質(zhì)評價(jià)確定應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣時(shí)的飛行速度限制。

綜上，直升機(jī)加裝應(yīng)急漂浮需空中充氣飛行驗(yàn)證的適航條款及驗(yàn)證要素如表1所示。

表1 需驗(yàn)證的適航條款及驗(yàn)證要素

3 風(fēng)險(xiǎn)分析及控制

應(yīng)急漂浮空中打開時(shí)，可能出現(xiàn)應(yīng)急漂浮不對稱充氣，導(dǎo)致直升機(jī)操縱困難；浮筒艙蓋在實(shí)施充氣后脫離直升機(jī)，有撞擊直升機(jī)的可能。因此,應(yīng)急漂浮空中充氣試飛為高風(fēng)險(xiǎn)科目。

試飛前可采取的降風(fēng)險(xiǎn)方法如下：

飛行試驗(yàn)之前通過地面充氣試驗(yàn)，驗(yàn)證應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的手動(dòng)充氣功能、應(yīng)急漂浮系統(tǒng)的充氣時(shí)間能夠滿足要求，并驗(yàn)證4個(gè)浮筒可完成同時(shí)充氣且不會(huì)出現(xiàn)不對稱充氣；

試飛前對應(yīng)急漂浮系統(tǒng)實(shí)施地面通電檢查合格，確保接線正確；

試飛前12小時(shí)完成氣瓶充氣，4個(gè)氣瓶頭部的壓力表指示應(yīng)在額定工作壓力范圍內(nèi)；

試飛前詳細(xì)檢查浮筒蓋子系留索的長度及綁扎方法是否正確；

試飛前試飛機(jī)組應(yīng)訓(xùn)練自轉(zhuǎn)程序；

試飛員應(yīng)穿戴好頭盔、防護(hù)服裝；

試飛員試飛前與專業(yè)人員充分溝通，熟悉各種異常現(xiàn)象(浮筒明顯抖動(dòng)、個(gè)別浮筒未充氣)的操縱要領(lǐng)；

試飛員熟悉飛行手冊中發(fā)動(dòng)機(jī)、尾槳失效和其他各系統(tǒng)故障應(yīng)急程序。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施情況

試驗(yàn)選取壓力高度650 m，充氣前直升機(jī)配平在指示空速138.5 km/h;按壓充氣按鈕后，應(yīng)急漂浮系統(tǒng)4個(gè)浮筒全部正常充氣展開，直升機(jī)飛行速度開始減小，俯仰角出現(xiàn)低頭，滾轉(zhuǎn)角出現(xiàn)小幅振蕩，偏航角基本不變。量值上，在應(yīng)急漂浮系統(tǒng)充氣展開至3 s末，指示空速減小至134 km/h，俯仰角低頭達(dá)到-4.5°，滾轉(zhuǎn)角在-0.4°～0.9°間振蕩1.5個(gè)周期，駕駛桿縱向操縱略帶后拉桿至53%，總距、駕駛桿橫向、腳蹬操縱基本無變化。試飛數(shù)據(jù)測試結(jié)果見圖3。

圖3 空中140 km/h充氣試飛測試數(shù)據(jù)

試飛結(jié)果表明，應(yīng)急漂浮系統(tǒng)前飛充氣功能正常，由于浮筒安裝位置較低，前飛時(shí)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣對直升機(jī)帶來低頭力矩。通過選擇小重量、前限重心臨界狀態(tài)進(jìn)行前飛140 km/h時(shí)空中充氣試驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣過程飛行姿態(tài)、速度響應(yīng)較小，不需進(jìn)行額外的操縱修正，不需要特殊駕駛技巧即可安全地過渡到穩(wěn)定飛行狀態(tài)，滿足CCAR-29部中第29.141條、第29.143條款要求。根據(jù)試飛結(jié)果，可制訂應(yīng)急漂浮系統(tǒng)空中充氣速度限制140 km/h，滿足第29.1503條款要求。在140 km/h飛行限制速度內(nèi)，浮筒能夠正常充氣展開，不會(huì)對飛行安全造成影響，滿足第29.1301、29.1309條款要求。

5 結(jié)論

本文通過對民用直升機(jī)應(yīng)急漂浮系統(tǒng)適航取證的思考，歸納出應(yīng)急漂浮空中充氣需考慮的試飛驗(yàn)證條款范圍，得出了驗(yàn)證其飛行特性和功能等適航條款的普遍方法。本文所述國內(nèi)首次對浮筒空中充氣的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和成功驗(yàn)證，對今后民用直升機(jī)增加海上救生方式的適航取證具有重要借鑒意義。