民用直升机单发失效起飞和着陆试飞技术

彭 勇,许宁鑫,吴承发

(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

0 引言

民用直升机在按照适航规章进行型号合格适航审定时,为了满足规章中的条款符合性,需开展相关飞行试验。我国目前适用于直升机合格审定的适航规章为《正常类旋翼航空器适航规定》(CCAR-27)和《运输类旋翼航空器适航规定》(CCAR-29)。2001年针对直11直升机,按照1984年首次编制的《正常类旋翼航空器适航规定》(CCAR-27)进行了适航取证试飞。由于直11直升机为单发直升机,当时根据适航条款只开展了回避区和不可超越速度等风险科目试飞,未涉及单发失效的起飞和着陆性能。

在2010年之前,国内按照CCAR-29进行适航取证试飞还存在不足,尤其是单发失效的起飞和着陆性能试飞。该部分为验证A类和B类性能的关键试飞内容,需严格按照相关的试飞顺序开展。考虑真实关闭发动机带来的相关维护成本,在开展试飞前首先需确定单发失效训练模式的有效性;其次确定起飞安全速度Vtoss(Take-off Safety Speed)和极限高度-速度包线;然后确定起飞决断点TDP(Take-off Decision Point)和着陆决断点LDP(Landing Decision Point)。相关试飞技术首次在国内开展。本文介绍了对单发失效起飞和着陆性能的试飞技术研究及其在AC313直升机上的应用。

1 多发直升机确定单发失效训练模式的有效性

在单发失效起飞和着陆性能试飞中,涉及发动机失效,如全部采取真实关闭发动机的方法,势必使其它正常工作的发动机进入中等应急功率,甚至最大应急功率,超出发动机维护手册中关于应急功率累计时间的相关规定,造成发动机提前返厂进入大修。为了保证试飞进度,需备用发动机,增大了试飞成本。

目前直升机安装使用的涡轴发动机大多采用电调系统。电调中具有发动机训练模式功能,即模拟发动机失效,发动机的参数显示按发动机失效进行显示。直升机需用功率超过发动机输出最大功率时,电调系统会自动减少发动机输出功率,即发动机训练模式可以完全替代发动机真实失效试验。

对于OEI训练模式的有效性,国内一直未进行验证。因此,对于装电调发动机的直升机,在开展单发失效的试飞时,为了采用发动机训练模式代替真实发动机失效,应对发动机训练模式的有效性进行确定。在直升机相同的起飞重量、飞行速度和相同大气条件下,对OEI训练模式和真实OEI进行对比试飞,具体方法如下:

1) 分别将发动机置于地慢状态模拟发动机真实失效,直升机使用最大连续功率进行试飞,确定哪台发动机具有更好的性能,即确定哪台发动机为关键发动机;

2) 分别在真实OEI(关键发动机失效)和OEI训练模式下,按特定的起飞重量、大气条件和飞行速度,使用最大应急功率飞行,对爬升速度进行对比;

3) 分别在真实OEI和OEI训练模式下,对起飞安全速度Vtoss和最佳爬升速度Vy进行对比;

4) 对真实OEI和OEI训练模式下的爬升率进行对比。

通过以上的对比试飞,可确定OEI训练模式的有效性。

AC313分别在海拔40 m机场和海拔3900 m机场进行了对比试飞,以指示空速130 km/h,使用最大功率状态进行爬升。试飞结果见表1[1]。

表1 OEI训练模式与真实OEI性能数据对比

OEI训练模式下发动机输出的功率小于真实OEI下的功率;OEI训练模式下的爬升率小于真实OEI下的爬升率。这就意味着使用OEI训练模式试飞得出的回避区、起飞和着陆性能是偏于保守的。试飞结果表明可采用OEI训练模式代替真实OEI进行试飞验证。

2 关键性能参数和试飞内容验证

在开展直升机单发失效起飞和着陆性能前,需确定起飞安全速度Vtoss、直升机极限高度-速度包线、起飞决断点TDP和着陆决断点LDP。

2.1 确定起飞安全速度Vtoss

确定Vtoss是开展单发失效起飞和着陆性能的基础。按CCAR29.59、29.61条款,发动机在起飞决断点TDP后失效,直升机利用剩余发动机加速至Vtoss,此时直升机的爬升率应不小于0.5 m/s,加速过程中直升机应高于起飞场地10.5 m。

通过以下试飞方法可确定Vtoss:单发失效采用OEI训练模式;直升机使用应急功率,从飞行速度130～160 km/h逐步减速至30～70 km/h;飞行中应保持速度稳定且爬升率不小于0.5 m/s;加速爬升过程中直升机离地高度应大于10.5 m。

AC313在40 m机场,在起飞重量13000 kg、压力高度300 m条件下使用OEI训练模式飞行。直升机以指示空速70 km/h飞行,使用30 min OEI功率进行减速飞行。当速度减至30 km/h时,直升机的爬升率为0 m/s。此时指示空速在30 km/h～0 km/h跳变,速度的指示对于驾驶员来说不可用。最后速度稳定在45 km/h,爬升率为1 m/s。因此确定海平面的Vtoss为45 km/h,大于适航条款规定的Vtoss下爬升率为不小于0.5 m/s的要求。AC313在3900 m机场,起飞重量9400 kg时,最后速度稳定在45 km/h,对应爬升率为1 m/s。

因此,经试飞确定,在海平面和高海拔地区,Vtoss均为45 km/h,这便于驾驶员识记且应用于直升机的包线飞行。

2.2 确定直升机的极限高度-速度包线

采用OEI训练模式进行试飞,确定直升机的极限高度-速度包线(又称回避区),方法如下:

1) 确定有地效悬停最大高度点

直升机离地稳定悬停,悬停中单台发动机失效,驾驶员操纵直升机应急着陆;悬停高度按1～2 m的幅度增加,重复执行单发失效并着陆。通过驾驶员工作负荷、直升机下降率和旋翼转速变化等情况综合判断悬停最大高度点。

2) 确定回避区的下边界

直升机在第1步试验中确定的悬停高度从静止加速到5 km/h,单台发动机失效,驾驶员操纵直升机着陆;悬停高度按1 m的幅度增加,通过驾驶员工作负荷和直升机下降率综合确定直升机能复飞的高度、速度结合点,然后逐步增大前飞速度直至速度增至Vtoss。

3) 确定拐点

直升机飞行速度大于Vtoss,飞行高度在第2步试验基础上增加,单台发动机失效,直升机进行复飞并加速至Vy,然后逐步减速,直至Vtoss。

4) 确定回避区的上边界

直升机飞行速度为Vtoss,飞行高度在第3步试验确定的高度的基础上增加,单台发动机失效,直升机复飞并加速至Vy,然后减速至飞行轨迹下降到离起飞场地的高度低于10 m;飞行高度以5m的幅度逐步增加并重复试验,直到减速到空速0 km/h。

AC313分别在海拔40 m机场、海拔3096 m机场和海拔3900 m机场以不同的起飞重量开展了回避区试飞。

对于三发直升机来说,一旦出现单发失效,功率损失1/3的情况下,与双发直升机比较,回避区较小。

AC313 在海拔40 m机场,起飞重量13000 kg,压力高度100 m,大气温度37℃～39℃,回避区试飞结果如图1所示。

图1 回避区试飞结果

图2 继续起飞剖面(无障碍机场)

图3 继续起飞剖面(平台)

图4 中断起飞剖面(无障碍机场)

图6 继续着陆和中断着陆剖面(无障碍机场)

图7 继续着陆和中断着陆剖面(平台)

试飞中绝大部分测试点采用OEI训练模式,个别测试点采用真实OEI进行对比。

2.3 确定起飞决断点TDP和着陆决断点LDP

2.3.1 确定TDP

按照29.55条[2-3],起飞决断点(TDP)是按第29.59条确定的有继续起飞能力的第一点,并且是在起飞航迹上按第29.62条确定的距离内能够保证中断起飞的最后一点。单台发动机在TDP和TDP后失效,直升机应继续起飞;在TDP前失效,直升机应中断起飞。

TDP通过以下方法进行确定:

1) 确定第一个复飞点

①起飞航迹始终避开回避区;

②直升机起飞加速至某一特定的高度/速度组合点,一台发动机置于OEI训练模式,然后直升机进行复飞;

③减少高度/速度组合点,重复上一步的试飞;

④以驾驶员工作负荷或直升机复飞时离起飞场地高度低于4.5 m作为试验完成的判据。

2) 确定最后一个着陆点

①直升机起飞加速至某一特定的高度/速度组合点,一台发动机置于OEI训练模式,然后直升机进行着陆;

②增加高度/速度组合点,重复上一步的试飞;

③以驾驶员工作负荷或直升机着陆距离作为试验完成的判据。

2.3.2 确定LDP

按照29.77条[2-3],着陆决断点(LDP)是在进场与着陆航迹上可以按第29.85条完成中断着陆的最后一点。单台发动机在LDP前失效,直升机应中断着陆;在LDP和LDP后失效,直升机应继续着陆。LDP通过以下方法进行确定:

1) 确定最后一个复飞点

①着陆航迹始终避开回避区;

②直升机从高于起飞场地15 m,以某一特定的离地高度/速度组合点进场,一台发动机置于OEI训练模式,然后直升机进行复飞,飞行至Vtoss和Vy;

③减少离地高度/速度组合点,重复上一步的试飞;

④以驾驶员工作负荷或直升机复飞时离起飞场地高度低于10.5 m作为试验完成的判据。

2) 确定第一个着陆点

①直升机从高于起飞场地15 m,以某一特定的离地高度/速度组合点进场,一台发动机置于OEI训练模式,直升机进行着陆;

②增加离地高度/速度组合点,重复上一步的试飞;

③以驾驶员工作负荷或直升机着陆距离作为试验完成的判据。

AC313在无障碍机场和平台上试飞,验证了单发失效的起飞着陆决断点。AC313无障碍机场的TDP为20 m、40 km/h,LDP为35 m、40 km/h。AC313直升机平台的TDP为35 m、0 km/h,LDP为35 m、40 km/h。

3 单发失效的起飞和着陆性能试飞

在确定OEI训练模式有效性、Vtoss、回避区以及起飞和着陆决断点后,就可开展单发失效的起飞和着陆性能试飞,包括单发失效后的继续起飞、中断起飞,以及单发失效后的继续着陆和中断着陆。

1) 继续起飞

①直升机起飞加速至TDP;

②在TDP 一台发动机失效;

③直升机进行复飞,以高于起飞场地10.5 m加速至Vtoss;

④直升机以Vtoss加速至Vy,爬升至离起飞场地高度300 m。

2) 中断起飞

①直升机起飞加速至TDP;

②在TDP 一台发动机失效;

③直升机进行着陆,直至完全停止。

3) 继续着陆

①直升机从高于起飞场地15 m,以LDP的离地高度/速度组合点进场;

②一台发动机置于OEI训练模式,然后直升机进行着陆,直至完全停止在着陆场地上。

4) 中断着陆

①直升机从高于起飞场地15 m,以LDP的离地高度/速度组合点进场;

②一台发动机置于OEI训练模式,然后直升机加速至Vtoss,同时保持离起飞场地10.5 m的高度,然后直升机加速爬升,按要求加速至Vy。

AC313分别在海拔40 m机场、海拔3096 m机场和海拔3900 m机场,以最大和最小起飞重量,开展了A类和B类起飞和着陆性能试飞验证。其中,A类起飞和着陆性能分别以无障碍机场和直升机平台(35 m×35 m)进行试飞验证,每个起飞和着陆性能试飞点均重复5次,4次采用OEI训练模式,1次采用真实OEI;B类起飞和着陆性能在无障碍机场进行试飞验证,采用最大起飞重量,每个试飞点重复2次,1次采用OEI训练模式,1次采用真实OEI。起飞和着陆通道完全避开回避区,单发失效后能保证直升机的安全起飞或着陆并确定了起飞距离和着陆距离。

4 关键技术

AC313在适航当局的严密审查下和直升机所DER的监督下,首次在国内完全按照CCAR-29-R1开展了A类起飞和着陆性能试飞,突破了以下关键技术:

1)首次在国内对单发失效训练模式与真实失效进行了对比试飞,确定单发失效训练模式有效。

2)首次在直8系列直升机上开展旋翼转速包线拓展试飞,拓展了旋翼转速包线边界;首次在直8系列直升机上开展回避区的试飞;首次在直8系列上开展起飞决断点和着陆决断点的试飞;在直8系列上开展了单发失效后的A类和B类性能试飞验证。

3)首次在直8系列机上制订了科学合理的A类和B类正常起飞程序,以及发动机失效应急处置程序。

5 结论

通过AC313试飞,掌握了单发失效起飞和着陆性能等多项试飞关键技术。CCAR-29-R1的适航要求与当前国际通用的FAR29的适航规定基本相当,表明我国在民用直升机适航取证试飞领域已取得重大突破,填补了国内该科目试飞的空白;发动机训练模式替代发动机真实失效优化方案获得中国民航审定认可,提高了效率并降低了试飞风险和试飞成本;发动机失效的科研试飞为制定完善相应的应急处置提供了理论支撑和飞行实践,为直升机安全使用和提高出勤率提供了保障。本次试飞技术研究为后续民用直升机适航取证试飞及军机适航性试飞奠定了坚实基础,满足我国未来军民用直升机发展需求。