基于輕型直升機加裝導航定位天線的改裝設計與在電力巡檢作業中的應用

程昱 閆建奎 李瑞友 張慶

國網通用航空有限公司 北京 102209

引言

電力巡檢和作業對于維護電網穩定安全具有重要作用，相較于傳統電力巡檢和作業手段，直升機電力巡檢作業具有效率高、響應快速和適用性廣泛的優勢，可滿足地形復雜地區的電力作業需求[1]。隨著直升機電力作業應用的發展，高精度巡檢設備在直升機電力作業中得到了廣泛的應用。為滿足巡檢設備在激光掃描和巡線工作中對地理位置信號數據的高精度需求，同時回避直升機主旋翼旋轉帶來的GNSS信號干擾，需要在直升機機頭上部加裝用于巡檢設備數據采集的GNSS天線。本文從實際應用中的改裝需求入手，結合航空器加改裝相關法律法規，確定加裝的審定基礎和符合性驗證方法，進而開展加裝設計論證與應用施工工作。

1 基于AS350B3直升機第二套GNSS天線的改裝設計

1.1 改裝需求

AS350B3航空器為法國空客直升機公司生產的輕型單發直升機，最大起飛重量2370kg，安裝發動機類型Arriel 2D engine，3片主旋翼，2片尾槳，機體金屬硬殼式構造，滑橇式起落架，全球交付使用5000余架，廣泛用于空中作業、短途運輸、應急救援等任務場景[2]。

為滿足航檢設備在激光掃描和巡檢工作中對地理位置信號數據的精度要求，在AS350B3型直升機客艙頂篷外部加裝一部獨立的GNSS信號接收天線（在接收GNSS天線的同時接收GLONASS和北斗信號，稱為GNSS天線），通過接收衛星信號，經過后續處理獲取天線空間精確位置，天線直接連接到航檢設備上，由航檢設備為其供電，并為航檢設備提供地理位置信號，方便后續直升機航巡、激光掃描、科學研究等航空電力作業業務開展。

根據GNSS天線工作原理和設備作業需求，對安裝要求主要包括：①天線安裝牢固，與機身剛性連接，作業時盡量不要相對機身抖動。②天線必須安裝在直升機上表面，上方不能有永久遮擋并盡量避免側方遮擋。（如果沒有合適地方，安裝位置可位于旋翼下方，但應盡量遠離直升機旋翼軸）。③盡量減少直升機電磁系統與天線安裝在一塊，以免影響GNSS信號接收。④GNSS線纜需要連接至掛點設備或機艙內操作設備，線纜最好能夠走直升機內部。

1.2 改裝方案

擬裝機的GNSS天線型號為Trimble-AV39，該天線具有FAA的TSO認證，并通過DO-160E環境測試，該天線只具有接收功能，無發射功能，不會對已裝機的無線電設備造成影響。

從信號接收質量來看，直升機垂尾上部為信號最好的位置，但目前AS350B3機型已經在尾部安裝有直升機機載設備使用的GNSS天線，因此，綜合考量信號質量、布線施工難度和直升機結構特點，將第二套天線選擇安裝在駕駛艙右側頂篷處。

在駕駛艙右側頂篷開安裝孔用于GNSS天線的固定安裝，頂篷內部進行線路施工，將GNSS同軸線纜沿頂篷向后在7°格框處向下，在預留的插頭處結尾，預留插頭由支架固定在7°框隔板處，如圖 1所示。

圖1 GNSS天線安裝圖

1.3 強度計算

依據CCAR-27R2，支承結構必須設計成在規定的任一極限慣性載荷下，能約束住那些在機組艙和旅客艙上部和/或后部的、在應急著陸時松脫后可能傷害乘員的任何質量項目，因此將計算分為5種工況，如表 1所示。

表1 載荷計算工況

旋翼航空器必須設計成能承受包括懸停在內的每個臨界空速下由9.14m/s的垂直突風產生的載荷，AS350B3機型極限速度為287km/h，天線迎風和側風面積如圖 2所示。各部件重量及緊固件強度如表 2所示。有此可算出：

表2 各部件及緊固件數據

圖2 天線迎風面積

氣動載荷Fa=1/2CDρ(1.1VNE)2S1× Safety factor=30.8N

突風載荷Fg= = 1/2CDρV2S2 × Safety factor= 0.4 N

正突風載荷和應急著陸極限載荷取大值，氣動載荷和應急著陸極限載荷取大值，進而可得各個工況下的載荷，如表 3所示。

表3 各工況下的載荷

綜上，GNSS天線的重量較輕，其固定螺栓的強度（NAS514P1032: Ptu= 11075.5N, Psu= 6627.5 N）滿足施加在螺栓上的載荷的強度要求。該頂篷由加強件（C2024-T3: Ftu=406.8 MPa, Fsu= 255.1MPa）進行了加固。因此，頂篷的強度符合安裝要求。

2 審定基礎及符合性驗證方法

2.1 法規依據

根據現行的民航法規及其規范性文件，針對輕型旋翼航空器，符合中國民用航空局（CAAC）要求的改裝途徑主要包括[3]：①具有雙邊協議許可，向航空器生產制造廠家申請服務通告（Service Bulletin）進行改裝；②于設計大改，可以向適航當局申請補充型號合格證（STC）；③對于已有國外適航當局頒發的補充型號合格證（STC）的改裝，可以向中國民航局（CAAC）申請補充型號認可證（VSTC）；④對于已有國外適航當局頒發的補充型號合格證（STC）的改裝，可以向中國民航局（CAAC）申請補充型號認可證（VSTC）；⑤對于通用航空企業所有或占有的航空器，在具備民航局要求的基本條件后，可以通過設計小改備案進行改裝。

各類方法的對比分析如表4所示[4]。經過對改裝方案的初步分析，本次對航空器重量、平衡、結構強度、可靠性、使用特性及適航性沒有重大影響，不涉及航空器聲學更改、燃油排泄和排氣排出物更改，根據CCAR21.93條判斷此次更改為設計小改。綜合考慮周期、成本等因素，選擇通過設計小改備案的方式進行。

表4 各類改裝方法分析對比

2.2 審定基礎的確定

根據CCAR21.101條款判斷，本次改裝未改變直升機原有的總體構型或構造原理、不影響直升機在初始合格審定以及認可審定時曾采用的前提條件，可采用 AS350B3直升機符合的VTC版本中認可審定基礎中的適用條款作為本次設計小改的審定基礎。

本項目擬改裝的AS350B3直升機符合CAAC型號認可數據單VTC0221A（R5, 2014年5月23日）[5]，其中采用的審定基礎為FAR-27第1至第10修正案，而由于集成了mod. OP-3369，將其中的部分條款更新至了第40修正案；而當前有效的CCAR-27-R2[6]相當于FAR-27[7]第1至第40修正案。建議的審定基礎為CCAR27.341、CCAR27.561(c)、CCAR27.1529。

2.3 符合性驗證

適航符合性驗證方法主要包括10類[8]，如表5所示。審查中根據適航條款的具體要求選取其中的一種或多種組合驗證條款要求。

表5 符合性驗證方法

本文審定過程中，通過比較分析各種符合性驗證方法的適用范圍及使用方法，并結合GNSS天線改裝涉及直升機的氣動載荷、安裝強度等主要問題，最終選用MC1（說明性文件）和MC2（分析/ 計算）符合性驗證方法。CCAR27.341、27.561等條款采用MC2（分析/ 計算）符合性驗證方法，27.1529條款采用MC1（說明性文件）符合性驗證方法。

3 改裝實施與應用

在擬裝機位置按照尺寸畫線并使用規定直徑的開孔器開孔，以固定天線和天線加強板。在GNSS天線安裝位置對機體打磨直至露出金屬表面，均勻涂抹較薄的導電膏。安裝完成后應進行GNSS天線搭鐵測試，確認殼體接地良好。在艙內安裝固定電纜的安裝支架，以固定同軸電纜在艙內的走線。施工完成后如圖 3所示。

圖3 施工完成圖

加裝GNSS天線后，應按照飛行手冊對飛機重心位置進行計算，更新稱重記錄單。連接機載設備，地面進行功能測試。檢查天線系統，保證其他電氣系統與之不相互干擾。

4 結束語

基于AS350B3型直升機GNSS天線改裝完成后，有效解決了航檢設備對地理位置和信號數據的高精度要求，經多次地面及飛行試驗，安裝結構牢固，線纜連接可靠，信號采集精度高，未出現影響飛行安全的問題，目前已在9架AS350B3型直升機上得到實施應用，進一步拓寬直升機作業在電力巡檢中的應用范圍，為直升機搭載高精度、多元化作業設備提供了簡易可靠的解決方案。