直升机防除冰系统的喷洒塔试飞验证

2018-06-13王之瑞

直升机技术 2018年2期

王之瑞，孙光

(空军试飞局第二试飞大队，黑龙江哈尔滨 150066)

0 引言

直升机飞行有时会遇到结冰气象条件，结冰造成直升机振动、功率需求增加、旋翼升力减小、尾桨拉力减小、发动机功率不能满足飞行要求等情况，更为严重的可导致发动机停车、旋翼丧失升力、尾桨丧失拉力，造成直升机坠毁事故，直接威胁直升机的飞行安全。因此，为保证结冰环境条件的飞行安全，旋翼系统必须具备防除冰能力。直升机技术领先的国家一直在研究发展先进的直升机防除冰技术，来保证直升机全天候安全飞行的能力。如何安全高效地验证直升机旋翼防除冰系统的性能并进行考核是一个很难的课题，国际上，常常利用地面喷洒塔来模拟特定的结冰云雾环境，开展不同结冰条件下直升机防除冰系统的性能试验。加拿大、俄罗斯、美国、法国等国家，对直升机防除冰系统的研究和试飞有着丰富的经验，具有完善的试验验证设施[1,2]。目前，国内的喷洒塔已经投入使用，首次开展了旋翼防除冰系统的防除冰试验验证，创新性地解决了喷洒塔试验试飞条件确定、试飞注意事项制定及安全考虑等问题。

1 喷洒塔的组成与工作

喷洒塔通过产生不同水滴直径、不同液态水含量的结冰云雾，模拟自然结冰云雾环境，进行直升机在不同结冰条件下的防除冰性能试验，对直升机旋翼防/除冰系统的性能进行验证，见图1[3]。

图1 UH-1喷洒塔试验

喷洒塔主要由喷雾系统、水处理系统、气处理系统、云雾控制系统、喷洒塔架、云雾输送系统等组成。喷雾系统是喷洒塔的核心系统，喷雾设备通过调节气体雾化喷嘴的气液比形成水雾，来满足试验的雾滴直径和液态含量要求。水处理系统主要是对水进行纯化处理，使出水电阻率达到要求，通过加热、加压，按一定流量送到喷雾装置。气处理系统为喷雾装置的气体雾化喷嘴供气，同时对喷雾水管进行保温。云雾控制系统对喷雾供水、供气，提供压力、流量、温度，同时实现控制功能。喷洒塔架用于支撑喷雾设备和风机阵装置，通过升降和旋转，实现不同高度、不同方向的喷雾。云雾输送系统主要是把云雾输送到直升机试验区。喷洒塔结构及工作原理分别如图2、图3所示。

图2 喷洒塔结构

图3 喷洒塔工作框图

2 喷洒塔试飞所需要的条件

喷洒塔试飞的目的是在确保安全的前提下，全面地对旋翼防/除冰系统进行验证考核。国内此前并无开展此类试验的经验，相关条件是试验相关单位基于试验要求、目的，并经过充分的论证、协调而提出并确定的。主要条件包括保障设备、测控设备及一些试验辅助设备，具体如下：

1) 正常试飞所需要的消防设备、救护设备、抢险设备、通讯指挥设备；

2) 振动设备，能够测试全机重要部位振动数值；

3) 操纵位移设备，能够测试操纵系统各轴操纵余量；

4) 发动机参数传输设备，能够测量并传输发动机参数；

5) 大气数据测试设备，能够测试直升机高度、速度、大气温度、大气压力；

6) 温度测量设备、电流测试设备；

7) 遥测设备，能够将温度数据、电流数据、振动数据、操纵位移、发动机参数、大气数据传到地面站，进行实时监控，并能及时通知和指挥试飞员；

8) 监测设备，能够透过浓雾全面观察到直升机试飞状态和整机情况，发现直升机有损坏或危险状态及时提醒，必要时可进行救助；

9) 飞行位置参照系统，能够在浓雾状态下参照能看得见的地标、灯光、梯字布、旗帜等保持飞机固定相对位置。

3 喷洒塔试飞注意的事项

喷洒塔试验具有较高的危险性，结冰环境不仅对直升机平台带来安全影响，而且对试验设施、人员、设备带来极大危险，需要综合考虑安全因素，并制定相关处置预案，具体如下：

1) 直升机结冰后，旋翼性能会变差，有可能因结冰造成发动机输出功率减小甚至停车，直升机所需功率也会因旋翼和尾桨翼型改变而大大增加，直升机操纵也随之改变，必须密切注意发动机的变化和功率使用情况，注意直升机操纵改变情况，如有明显危及试飞安全的情况发生，立即停止试验。

2) 直升机结冰后，由于不同部位的结冰质量不同，容易造成直升机质量分布的变化，直升机振动明显增加，必须密切注意直升机的振动情况，特别是旋翼、尾桨甩冰时的振动情况。

3) 直升机处在浓雾之下，距离喷洒塔很近，保持直升机位置非常重要，也非常困难，试飞员必须集中精力，飞行位置参照系统必须完善。

4) 作好应急预案，必要时，能够在浓雾情况下安全着陆。

5) 直升机旋翼、尾桨甩出的冰速度很大，容易造成周围设施的损坏和附近人员的伤亡，必须管理好试飞场地的人员及设备。

6) 在除去直升机结冰时应小心谨慎，防止伤害到直升机本身。

4 喷洒塔试飞安全考虑

4.1 悬停高度选择

喷洒塔结冰试验为国内直升机首次进行，没有可以借鉴的经验，悬停的高度也只能是靠摸索确定，根据想要的试验数据，要求悬停在不同的高度，得到不同的数据，数据越多越好。但是从飞行安全的角度，应该考虑几个问题：首先，结冰条件下，直升机有可能单发停车，那么就要考虑尽量在直升机的回避区内进行试验，特别要考虑到直升机是在结冰的空气中，重量密度比这个参数尤为重要；其次，喷洒塔喷出云雾后，座舱内的可见度变差，飞行员要操作直升机，不能无任何参照物，需要看到地面或者其他明显的标示，悬停高度不能脱离可观察的范围。

4.2 机头位置选择

机头方向的选择，首先根据当天的风向、风速(喷洒塔试验，要求风速有所限制，尽量减小风速对结冰云雾参数的影响)，充分考虑直升机悬停的风速包线。特别是在结冰条件下，直升机的操纵性变差，包线会比正常时小很多。其次考虑场地因素，考虑除冰系统不能正常工作或者不能有效工作时，直升机需应急着陆处置。出现这样的情况，直升机操纵性变差，振动增加，旋翼的升力也变小，需要立即着陆，如果能飞出喷雾区小速度滑跑着陆，将是有利的。根据有限的国外数据可见，国外做结冰悬停试验时，机头多数是正对向喷洒塔的。国内现有的喷洒塔，如正对塔悬停，处置特情的场地范围较小。通过分析论证，在保证结冰云雾参数和全机有效覆盖的条件下，选择了更加安全的机头朝向。

4.3 悬停时的悬停位置保持

由于喷洒塔能覆盖的范围约30～40m，直升机悬停的最佳位置是纵向中心距塔20 m左右。旋翼距离塔的距离也就10～12 m(旋翼桨尖距离塔架)，距离非常近，如果不能准确地保持悬停位置，会造成严重后果。可行的方法：一是在地面用红线标示明显的位置用来参考；二是，增加指挥员，多方位观察，实时指挥。

4.4 作为风险科目，需要充分的技术保证

一是模拟悬停状态下的大下降率垂直着陆；二是小速度的滑跑着陆。旋翼系统结冰后，除冰系统若不能有效地工作，需要立刻着陆处置。对新型直升机，要求进行类似科目的试飞，从技术上，从试飞角度上，放开限制，特别是滑跑限制。

5 喷洒塔试验结果

某型直升机进行了国内首次喷洒塔试飞，试验过程中记录了直升机旋翼和尾桨各区温度、发动机进气道温度、发动机参数、直升机振动等级等数据，还拍摄了旋翼和尾桨除冰效果图片、风挡玻璃除冰效果图片等。结果表明，直升机在旋翼和尾桨结冰时所需的功率有所增加，不超过总扭矩5%；振动有所增加，但不超过一个量级。旋翼和尾桨各区温度最高不超过30℃，最低0℃，和设计结果一致；发动机进气道温度符合要求；风挡玻璃电除冰符合要求。图4、图5为旋翼实测温度典型曲线，未发生温度过热的情况。图6所示为喷洒塔旋翼除防冰效果，结果表明了旋翼防除冰系统具有良好的性能，可以有效地防除冰。