直升机H-V包线拓展飞行试验方法研究

王　勇，孙　光，陈永禄

(1.中国人民解放军95966部队，黑龙江 哈尔滨 150060； 2.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

直升机H-V包线拓展飞行试验方法研究

王勇1，孙光1，陈永禄2

(1.中国人民解放军95966部队，黑龙江 哈尔滨 150060； 2.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

摘要：直升机H-V包线是直升机在发动机失效后安全着陆或成功复飞的基础条件。指出了影响H-V包线范围的主要因素是重量相对密度比(W/σ)，提出了直升机H-V包线拓展试飞方法，针对某型机进行了H-V包线下边界拓展和上边界拓展飞行试验，分析飞行试验结果，给出了H-V包线图，并明确了H-V包线拓展飞行关键技术和注意事项，有助于其他直升机H-V包线拓展飞行试验的顺利开展。

关键词：H-V包线；飞行试验；边界拓展

直升机在飞行中一旦出现发动机停车，可以利用势能转化成动能进入自转下滑着陆，这是直升机特有的性能。但理论和实际都证明，不是所有飞行状态下的发动机失效，直升机都能实现自转下滑、拉平缓冲安全着陆。直升机发动机失效后能否安全自转着陆与外界环境条件、飞行员驾驶技术及发动机失效时直升机飞行状态有关，还与机型及飞行地域有关。直升机在一定高度、速度区域，无动力或关键发动机失效后，即使能够进入自转，飞行员也来不及操纵和调整直升机达到安全的接地速度和下降率，直升机将以大下降率触地或超过起落架能够承受的速度接地，危机飞行安全。为避免上述情况，各型直升机都有H-V包线，用于提醒飞行员尽量避免在该包线内飞行。

H-V包线定义了由外界环境条件和直升机的飞行状态组成的不安全区域，在重量相对密度比(W/σ)一定的情况下，H-V包线一般由发动机失效时直升机的高度和速度组合来描述，如图1所示。其上边界是根据自转特性确定的，下边界是由着陆装置确定的[1]。一般情况下，上边界为直升机自转条件下，其接地速度等于或小于着陆装置允许下沉速度；下边界为不能进入自转条件下，接地速度等于或小于着陆装置允许下沉速度。

图1　H-V包线示意图

1直升机H-V包线拓展试飞方法设计与分析

直升机H-V包线拓展试验是所有性能试验项目中可预测性最低的，并且直升机的气动特性、主旋翼系统的转动惯量、桨盘载荷、直升机总重、密度高度以及飞行员的驾驶技术等都对H-V包线范围具有重大影响。对于一架特定的直升机，为确保试验的准确性及试飞数据的一致性，应确定一致的重量相对密度比(W/σ)。在开展飞行试验之前，应进行H-V包线理论计算，得到待飞行验证的H-V包线。直升机H-V包线拓展试飞方法总体设计流程如图2所示。主要包括H-V包线拓展准备试验、直升机H-V包线上边界的确定试验及直升机H-V包线下边界的确定试验。

图2试飞方法总体设计流程

1.1准备试验

直升机H-V包线拓展准备试验包括发动机失效特性响应试验、OEI(单台发动机失效)飞行性能试验、发动机失效最佳俯冲角度选择试验以及拉平效能试验[2]。试验方法如下：

(1)发动机失效特性响应试验主要是在高空进行，用于检查在不同的速度下，当发动机失效以后，直升机的响应情况，同时使飞行员熟悉发动机失效的瞬间响应，以便采取相应的处置措施。发动机失效后，由于旋翼反扭矩的作用，直升机出现瞬间偏航的现象，飞行员要注意进行航向修正；

(2)OEI(单台发动机失效)飞行性能试验主要是为多发直升机的H-V包线试飞做准备，在该项试验中要在单发最大连续功率下，通过试飞得到单发失效最小速度VminOEI,最佳下滑速度VTOSS以及单发失效最大速度Vy；

(3)发动机失效最佳俯冲角度选择试验是为了实现在发动机失效后，选择一个最佳的俯冲角度，以最小的高度损失，俯冲至VTOSS；

(4)拉平效能试验主要是在VTOSS下，通过拉杆，使直升机拉平至15°仰角，最终使直升机水平和垂直速度减小，水平速度低于起落架强度条件限制值，垂直速度低于直升机结构强度条件限制值，在接地前，推杆摆平姿态，提总距，减小下降率，缓冲着陆。

1.2下边界的确定

直升机H-V下边界包线拓展从低高度悬停开始，每次只改变速度或高度一个变量，以一定的步长增加高度或速度，采用锯齿状爬升的方法进行下边界的包线拓展试飞。图3所示为直升机H-V包线下边界试飞动作点设计。

图3　H-V下边界包线拓展示意图

具体试飞方法设计如下：

(1)直升机从低悬停高度，逐步小幅向高悬停高度(3ft/5ft/7ft)拓展，将关键发动机油门放至慢车位，放总距(防止剩余发动机进入应急功率)，落地之前，柔和提总距，减小下降率[3]。飞行员根据接地姿态、垂向速度及发动机响应给出库珀-哈勃(HQR)等级评价并决定是否继续提升高度进行包线拓展；

(2)在可接受的悬停高度(7ft)的基础上，增速至某一速度点(10kts)，稳定后，将关键发动机油门放至慢车位，飞行员根据接地姿态、垂向速度及发动机响应给出HQR等级评定并决定是否继续增加速度进行包线拓展；

(3)如此，采用锯齿状爬升、加速的方法，在高度和速度之间一次只改变一个变量，直至在某一速度点可以连续上升高度，并且较容易着陆，则H-V下边界包线拓展试飞结束。

1.3上边界的确定

进行直升机H-V上边界包线拓展，需要依据准备试验中得到的高度损失数据，来确定试验点的起始位置，试验起始高度为准备试验中高度损失值的2倍。图4所示为直升机H-V包线上边界试飞动作点设计。

图4　H-V上边界包线拓展示意图

具体试飞方法设计如下：

(1)直升机悬停，悬停高度为前期准备试验中高度损失值的2倍(500ft)，将关键发动机油门放至慢车位，等待1s，放距，推杆，增速，并在速度到达Vtoss之前开始拉平，使直升机以Vtoss的速度飞过俯冲至拉平轨迹的低点，恢复发动机，安全飞离，期间注意观察Vtoss时的离地高度(300ft)；

(2)直升机悬停，悬停高度(350ft)，计算方法为：悬停高度等于上一悬停点高度减去俯冲至Vtoss时的离地高度的一半，重复上一点的动作，得到新的Vtoss时的离地高度；

(3)重复上述动作，直至离地高度逼近15ft，或者飞行员认为不能再继续下降，记录最后一次的悬停高度(150ft)；

(4)以最后一次的悬停高度(150ft)为基准，增加速度，在某一速度点(10kts)上，将关键发动机油门放至慢车位，等待1s，放距，推杆，增速，并在速度到达Vtoss之前开始拉平，使直升机以Vtoss的速度飞过俯冲至拉平轨迹的低点，恢复发动机，安全飞离，期间注意观察Vtoss时的离地高度(40ft)；

(5)在该速度点(10kts)上，离地高度130ft(150-(40/2)),重复上一动作，直至离地高度逼近15ft，或者飞行员认为不能再继续下降，然后在此高度上增加速度；

(6)重复上述动作，以锯齿状拓展的方法，最终使速度、高度与回避区低点试飞的速度、高度值重合，则H-V上边界包线拓展试飞结束。

2直升机H-V包线拓展试飞结果分析及关键技术

2.1试飞结果分析

依据设计的H-V包线拓展试飞方法，采取循序渐进的方式，进行了H-V包线拓展试飞。飞行试验在低海拔机场进行，试验过程中，严格控制重量相对密度比(W/σ)，测试并记录了以下关键参数：直升机接地时的垂直速度、接地时的水平速度、着陆后的滑跑距离，飞行员给出HQR等级评价。通过试飞得到的H-V包线如图5所示。

图5　H-V包线拓展试飞结果

*注：大气温度：20℃，重量相对密度比：2167kg

2.2试飞关键技术

由于H-V包线拓展飞行试验具有极大的风险，进行H-V包线拓展飞行试验科目时，必须采取小步长逐步逼近、返回检查的原则[4]。开展该项目试飞的关键技术如下：

(1)进行H-V包线上边界拓展试飞时，为确保试验数据有效及试飞安全，需从前期准备试验中得到的高度损失值的2倍开始试验，每个拓展点的高度等于上一试验点高度减去俯冲至Vtoss时离地高度的一半所得到的高度值，逐步降低试验初始高度，逼近H-V包线上边界；

(2)从悬停或小速度(30kts)，将关键发动机油门放至慢车位后，放距、顶杆增速过程中，直升机通常容易进入涡环状态，俯仰和横滚姿态变化大，直升机振动增加，操纵负荷增大，此时要保持好直升机姿态，迅速增速脱离涡环状态[5]；

(3)对多发直升机，在进行发动机失效特性和H-V包线上边界拓展试飞时，关键发动机油门放至慢车位后，要迅速增加总距至单发最大连续功率状态并保持，使高度损失降为最小，为进入下一试验点提供准确数据；

(4)对多发直升机， H-V包线下边界拓展试飞的原则是依据发动机扭矩限制、垂直接地速度及飞行员的感觉决定是否继续进行H-V包线下边界拓展；

(5)对于橇式直升机，进行H-V包线下边界拓展试飞时，在关键发动机油门放至慢车位后，接地滑行时，不要立刻将总距放到底，否则容易引起直升机航向偏转或横向侧移，偏出跑道。

3结论

直升机H-V包线拓展飞行试验是直升机适航取证的必需环节，本文针对某型直升机进行了H-V包线上、下边界拓展试飞，所设计的直升机H-V包线拓展飞行试验方法安全、可靠，能够更加有效地验证理论H-V包线的正确性，得到的H-V包线可为该型直升机的安全飞行提供依据和保障，也为其他直升机H-V包线拓展飞行试验的开展提供了参考和借鉴。

参考文献

[1] Johnson W.Helicopter Optimal Descent and Landing after Power Loss[R].NASA TM73244,1977.

[2] 高正,陈仁良.直升机飞行动力学[M].北京：科学出版社，2003：76-77.

[3] 金长江，范立钦.飞机飞行动力学 飞机飞行性能计算[M].北京：国防工业出版社，1990：59-62.

[4] Lee A Y,Bryson A E,Hindson W S.Optimal Landing of A Helicopter in Autorotation[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1988,11(1):7-12.

[5] John T B.Survey of Numerical Methods for Trajectory Optimization[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1998,21(2):193-207.

[责任编辑、校对：李琳]

Research into Helicopter H-V Envelope Expansion Flight Test Method

WANGYong1,SUNGuang1,CHENYong-lu2

(1.Unit 95966 of PLA,Harbin 150060,China; 2.China Flight Test Establishment,Xi′an 710089,China)

Abstract：The H-V envelope is the basic condition for the safe landing or successful miss-approach of helicopters after the failure of engine.The paper points out the main factor affecting H-V envelope,namely relative density in weight ratio(W/σ),puts forward the helicopter H-V envelope expansion flight method,and uses a certain type of helicopters to conduct H-V boundary expansion flight test. At last,the paper analyzes the flight test results,presents the H-V package diagram,and clarifies the key technologies and the precautions of H-V envelope expansion flight,which is helpful for the smooth implementation of H-V envelope expansion flight tests of other types of helicopters.

Key words：H-V envelope;flight test;boundary expansion

收稿日期：2016-04-20

作者简介：王勇(1981-),男，辽宁海城人，一级飞行员，从事直升机试飞与指挥研究。

中图分类号：V217；V275.1

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)03-0021-04