直升机操纵系统适航性设计和验证思路研究

邵玄玄，徐 新

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

操纵系统是关系到整个直升机的飞行安全重要系统之一，在设计初期将适航标准贯彻到整个研制流程是保证操纵系统及飞行安全可靠的前提。直升机操纵系统一般包括驾驶舱操纵装置、操纵线系、主尾桨助力器、总距杆、周期性变距杆等设备。操纵系统主要分为横向操纵系统、纵向操纵系统、航向操纵系统和总距操纵系统。总距操纵系统通常与发动机油门控制相联动。研究直升机操纵系统适航性设计要求和符合性验证对于推进系统的正向设计、让适航在设计的初始阶段提前介入有重要意义。本文通过分析操纵系统的适航标准，提出了操纵系统的适航性设计与验证思路，并结合某型机操纵系统适航符合性验证案例进行说明，能够推动适航贯穿系统正向设计，为从事直升机操纵系统设计和适航人员提供技术参考。

1 操纵系统适用的适航条款

根据适航标准，民用直升机通常按正常类或运输类进行合格审定，适航标准基于最低可接受的航空安全水平，规定了操纵系统的基本要求。具体型号的直升机操纵系统可能有不同的特点，但对一般操纵系统审定基础来说，以29部为例，涉及每部的B分部“飞行”（2条）、C分部“强度要求”（9条）、D分部“设计与构造”（25条）、F分部“设备”（2条）、G分部“使用限制和资料”（2条），共40条。操纵系统审定基础如图1所示。

图1 操纵系统审定基础

2 适航性设计与验证思路

2.1 适航性设计要求

操纵系统的适航性要求是系统级要求，属于对整个系统进行设计与验证的安全要求，其审定基础和适航基线需要以系统的角度确定，进而落实到下一层级系统或设备研制的适航要求，结合系统或设备的功能、性能等技术要求，形成研制和设计的技术依据。操纵系统适航性对设计流程的要求主要涉及以下几方面。

2.1.1 总体设计考虑

对于系统的总体设计应在国军标、航标、CCAR-29部的基础上，将适航性要求纳入到设计要求中，结合设计规范，保证在设计源头将适航性要求贯彻到设计与验证过程中。这一阶段要明确系统功能和主要技术要求。

（1）使用环境：温度、湿度、盐雾和霉菌等。

（2）功能要求：操纵系统为机械操纵系统，包括飞行操纵系统和旋翼刹车操纵系统。

（3）性能要求：操纵装置行程、桨叶变距范围、传动比/耦合系数/结构提前操纵角、基准位置、启动力及空行程等参数。

（4）可靠性、维修性、安全性、测试性、保障性要求：系统应对设计使用环境和寿命环境进行分析、对各系统及设备的设计进行故障模式及影响分析，尽可能通过设计消除所有的故障模式。

（5）安全性要求：确定系统功能危险及对应的保证级别，避免系统的单点故障、共模故障；系统的设计与机上安装应保证当在飞行包线内任一时刻发生故障时不会导致操纵线系故障和危害直升机继续安全飞行与着陆。

2.1.2 操作设计考虑

操作设计是对操作功能的规定，应在总体设计中明确，包括：

（1）操作质量需满足条款29.671总则要求，操纵系统应操作简便、平稳、确切，并符合其功能，系统设计应尽可能简单直接且有防差错设计，必须确保飞行前操纵系统在全行程内是有效的。

（2）与主飞行操纵系统交联的操纵装置均按安全性设计，在故障状态下，不影响主飞行操纵系统功能，辅助操纵系统在故障、失效或卡滞时需满足29.674要求。

（3）纵向、横向、总距和航向通道之间，除非有特意的交联耦合要求，相互间均应具有独立性。操纵系统的输入和输出关系应一一对应。

（4）每个线系通道应设置安全可靠的符合条款29.675要求的行程限制装置，其磨损、松动和松紧调节不会明显影响操纵行程范围；操纵系统锁在正常或忘记操作时其功能应满足条款29.679要求。

2.1.3 强度设计考虑

强度设计考虑操纵系统在限制载荷及极限载荷下的强度校核，对于操纵系统，分别计算分析主桨操纵系统（总距、纵向和横向）和尾桨操纵系统各操纵通道在中立位置和极限位置的临界载荷情况，并选取其中最严酷的临界载荷状态对操纵系统的强度进行验证，验证结果表明操纵系统结构在极限载荷作用下计算应力不会超过强度极限，且不会发生失稳。符合性验证涉及29.301、29.305、29.307、29.391、29.395、29.397、29.399等对强度、刚度和耐久性的要求。需同时考虑29.675（c）止动器条款的强度要求、29.613材料强度性能如压缩、拉伸、剪切极限强度和屈服强度等材料的设计值的要求。

2.1.4 安装设计考虑

安装设计应考虑安装力与安装功能的正常，包括：

（1）系统各摇臂的铰点应安装在机体结构承力部件上，应使力的传递最直接，并且应尽量安装在机体原有承力构件上，以减小重量代价。

（2）条款29.777要求驾驶舱内的座舱操纵装置布置便于操作并能防止混淆和误动，其安装位置与形状，应与座椅、仪表板的位置与形状相协调，并与标准的驾驶员身材尺寸相协调，应适应不同身高的驾驶员（150~183 cm）无阻挡地做全行程运动。

（3）条款29.779要求驾驶员的操纵动作（包括正常操纵和应急操纵）应与人的本能反应相一致，即前推驾驶杆，直升机应低头，脚蹬也应类似。

（4）座舱操纵装置上不应有明显的力和运动反传。操纵装置下游部件的运动和作用力不应在座舱操纵装置上有明显的反应。

2.1.5 试验设计考虑

操纵系统的试验主要包括两方面：操纵系统操作试验和操纵系统限制载荷静力试验。

（1）29.307（b）（3）规定的操纵系统操作试验需按条款29.683开展，试验设计时，应明确试验状态、力正负的判定、施加在各操纵杆上载荷的大小和方向等，试验过程分别操作操纵器件，对系统进行卡阻、过度摩擦和过度变形等进行检查和评估。根据29.683的要求，应在铁鸟台架进行相关操作试验，试验载荷应根据29.395、29.397、29.399条款而定。

（2）29.307（b）（2）规定的操纵系统限制载荷静力试验需按条款29.681开展，进行操纵系统载荷和强度分析，在对作角运动的操纵系统接头分析中考虑特殊系数。

2.1.6 系统失效-安全设计考虑

系统关键零部件、紧固件、交联操纵装置、设备、系统及安装等条款定义的可能出现的故障，失效或危害性情况需进行操纵系统故障模式影响、危害性分析以及操纵系统功能危险分析。应根据功能危险性分析（FHA），确定操纵系统的重大影响以上的失效状态种类。按影响等级进行分类，形成评估灾难性功能故障、危险的功能故障、严重的功能故障矩阵。

2.1.7 专用条件考虑

如果现有适航规则无法覆盖操纵系统某些技术要求，就需要制定专用条件。如BELL 525直升机电传飞行控制系统，需要有操纵指令信号完整性设计考虑、系统与结构交联考虑等专用条件。

2.2 验证思路

根据适航要求指导系统的设计构型及设计特征，确定图纸、技术规范及其清单、满足强度所需的尺寸、材料、工艺资料和持续适航中的适航性限制，形成设计资料，是进行制造检查的依据。对系统/设备验证的过程形成试验大纲、计算或分析报告、试验报告等，形成验证资料。

操纵系统设计与验证模型如图2所示，技术路线采用的是双流程模式，即自上而下的设计流程和自下而上的验证流程，其中验证流程包括设计验证、制造检查及系统验证，适用于较为复杂的系统。

图2 操纵系统设计与验证模型

（1）设计验证

设计验证是通过分析、计算、模拟等方式表明方案、原理及功能等的适航性要求，是对适航性设计的检查过程，其验证结果表明的是设计符合性。

（2）制造检查

制造检查是在系统验证之前以确保产品制造与设计的一致性为目的而开展的一系列试验件、试验设备检查、重要工序检查以及机上检查等活动，验证制造符合性。主要包括两方面：试验产品构型以及设计偏离，其检查依据是型号设计资料。制造检查是进行试验验证的前提，用来表明试验产品符合型号设计资料。

（3）系统验证

系统验证是通过试验室试验、机上地面试验、飞行试验、航空器检查、模拟器等方式表明系统的适航要求，目的在于验证系统符合性。系统验证是对设计符合性的二次验证过程，其验证结果应与设计验证的结果具有一致性。

3 某型机操纵系统审查案例分析

某型机采用并列式双驾驶，机械/液压助力操纵系统，如图3所示。操纵系统机载设备清单包括舵机、刹车球柔钢索、连杆、手柄、助力器、阻尼器等全部定性为关重件。操纵系统与其他诸多系统存在接口，如自动飞控系统串/并舵机、主减、发动机传感器、起落架机轮刹车传感器等。

图3 某型机操纵系统

3.1 系统合格审定基础考虑

基于操纵系统的工作原理以及设计特征和基础数据，其合格审定考虑必须贯穿从操纵输入到操纵输出整个过程，应至少包含设计、安装、安全性分析和持续适航等几个方面。

（1）系统设计必须遵照设计规范以及适航规章要求，其计算和分析过程需经适航当局批准。

（2）安装设计必须涵盖主桨操纵系统、尾桨操纵系统、驾驶舱操纵器件的各子系统和设备，并包含机上安装的考核。

（3）系统的安全性分析主要是对系统功能危险分析、故障模式影响及危害性进行验证的过程，要求其必须保守合理。

（4）持续适航是对操纵系统每个要素提供控制和操作说明，并对系统工作过程中的各种失效或降级情况给出应对程序。

3.2 符合性验证工作

根据操纵系统的审定基础考虑，结合图1，经评估，操纵系统的适航符合性验证工作见表1，下述工作的开展均按照《航空器型号合格审定程序AP-21》的规定执行。

表1 操纵系统适航符合性验证工作

操纵系统设计过程中充分考虑了各项适航条款，可以满足CCAR-29-R2的适航要求，具体符合性分析如下。

3.2.1 设计验证

设计验证的结果表明的是设计（包括设计方案、原理、功能等）符合性，某型机操纵系统采用计算、分析、模拟等方法：如MC1设计描述文件、工艺规范目录、操纵系统图纸、零部件清单、飞行手册、技术条件；MC2强度计算、检查措施符合性分析；MC3功能危险性评估、区域安全性分析、故障模式影响及危害性分析等工作。

3.2.2 制造检查

某型机操纵系统开展系统验证之前对试验件/试验设备进行制造检查，表明试验产品与设计的一致性，如依据操纵系统限制载荷静力试验大纲、操纵系统操作试验大纲、飞行试验大纲等对试验件或试验设备开展试验前的检查等工作。

3.2.3 系统验证

某型机操纵系统的系统验证是对系统的适航性进行验证的过程，其验证结果与设计验证的结果具有一致性，采用试验及系统检查等方式表明适航要求：如MC4限制载荷静力试验、疲劳试验；MC5机上地面试验、操纵系统操作试验；MC6随机试飞验证、试飞机组评定；MC7操纵系统的工程符合性检查等工作。

4 结束语

随着国产民用直升机逐步走向市场，为确保直升机安全性，各系统在设计流程中加强对适航条款规章的理解，有助于表明适航符合性和推进民用直升机适航取证工作。本文分析了操纵系统相关的条款及审定基础，对民用直升机操纵系统适航性设计要求进行解析，提出了操纵系统适航性设计与验证思路，能够为直升机操纵系统适航性设计和验证及推动适航贯穿系统正向设计提供参考。