直升机航电系统高原高寒环境适应性评估

袁大天，于芳芳，李太平

（中国飞行试验研究院，西安 710089）

高原地区海拔高，空气稀薄，气候干燥，昼夜温差大，昼夜最大温差可达30 ℃。高寒地区一般是指由于海拔高或因为纬度高而形成的特别寒冷的气候区，其最低气温可降至零下40 ℃以下。海拔在3000 m以上的高原地区通常也伴随着高寒，例如我国的青藏高原一个最显著的自然地理特征就是高寒。为满足在高原高寒等极端环境下执行任务的需求，直升机在设计时会增加或换装必要的机载航电设备。例如，加装防除冰系统，改进航电和电气系统。

国内在装备环境适应性方面开展了一定的研究，总结出了一些高原环境对武器装备性能的影响[1-5]，研究了高原和低压环境对军工电子产品影响[6-7]。庞志兵[8]等从理论层面分析了武器装备论证、研制、设计定型和使用全寿命周期，提出了提高武器装备环境适应性水平的对策。邹小玲[9]从设计角度，提出对高原直升机电气系统改进的办法和措施，开展了高原高寒地区的战场环境以及装备保障方法研究[10-11]。在飞行试验领域，主要针对涡轴发动机进行了高寒试验[12-13]，开展了装备的环境适应性评价与效能评估研究[14-16]，取得了一定的成果。可以看出，以上研究多集中在理论研究与设计分析，实际试验数据与理论模型相结合的研究相对较少，尤其是对于直升机航电系统在高原高寒环境下的适应性评估较少。美国在1919 年就开始将简单的温度、振动试验纳入到装备的验收试验中，随后西方各国和前苏联相继效仿，开展了装备环境适应性的研究和试验，取得了相当的成果，形成了体系和标准。在试验方面，开展了高原环境特点下的试验研究[17]；在设计方面，为适应高寒地区防除冰系统的用电需求，给出桨叶加热面积的估算规则；在人才培养方面，其强调为充分发挥武器装备的作战效能，必须加强环境工程专家队伍建设[18]。

文中通过对高原高寒环境的分析，得出影响直升机航电系统在这类环境下试验和使用的关键因素，建立了环境适应性评价指标体系。有针对性地设计重点试飞科目，开展实地试飞，获取相关试验数据。将试验数据与理论模型有机结合，运用模糊综合评价方法对某直升机高原高寒环境适应性进行评价，达到规范试验科目，提高试验效率。总结试验方法的目的，以期使这类直升机能够尽快投入使用，尽早发挥效用。

1 直升机高原高寒环境适应性试验的必要性

高原高寒环境适应性试验是指检验直升机在规定的高原和高寒等极端环境下实现其预定全套功能的能力，是装备的一个重要质量特性。近几年，我国对直升机环境适应性试验的要求不断提高，一方面，CCAR29 部《运输类旋翼航空器适航规定》中，对直升机高原高寒环境下的飞行和使用提出了适航要求；另一方面，试验体系也在根据用户的需求和装备的发展不断完善，由过去的重点考核指标符合性逐步转变到指标符合加使用能力综合试验。这些都要求在试验设计之初和试验过程中给予装备环境适应性试验与评估足够的重视，通过环境适应性试验不但可以检验直升机在高原高寒地区的功能、性能，还可以总结出一套在高原高寒地区执行不同任务的使用和保障方法，以便为今后在这类特殊地区执行任务打下基础。

科学高效地开展环境适应性试验的重要环节之一就是对试验环境对被试设备的影响进行分析。高原高寒特殊地区的试验不同于平原内陆地区的试验，由于其自然条件恶劣，试验窗口期短，如果对试验环境的影响不进行分析，对试验科目的设置不进行研究，势必导致试验难点和重点不明晰，科目设置随意，费效比低等问题。因此，在试验开展之前，应先对试验环境给直升机航电系统带来的影响开展分析，以便有针对性、有重点地设置试验和评估内容，提高试验效率，使直升机高原高寒环境适应性试验逐步规范化、标准化、系统化。

2 高原高寒环境影响因素及试验

2.1 高原环境

2.1.1 高原环境影响分析及试验科目

高原环境适应性试验主要是针对高原野外机场砂尘大、起降环境恶劣、氧浓度较平原地区低、气候变化快等特点，检查直升机航电系统是否能有效使用。在试验之初，应针对高原环境特点以及设计改进的具体情况，有重点、有针对性地设计试验科目。高原环境对直升机航电系统的典型影响分析及重点试验科目见表1。

2.1.2 高原环境试验准备

在高原地区组织试验的主要准备工作有：机组人员必须完成高原飞行理论培训和模拟器培训；飞行计划应充分考虑航路气象、地形、备降机场以及应急处置预案；机务和场务部门在试验前应充分检查直升机状态，尤其是环控系统和防砂装置，掌握好当天气象条件；试验组织部门应充分考虑高原环境对试验人员的生理和心理影响，确保试验安全。

2.2 高寒环境

2.2.1 高寒环境影响分析及试验科目

高寒环境适应性试验主要是针对高寒地区纬度高、气温低、旋翼、尾桨等易结冰等特点，检查直升机航电系统、防除冰系统等是否能有效使用。同时，通过高寒地区试验尽早发现可能存在的环境适应性问题，暴漏直升机飞行安全隐患。高寒环境对直升机航电系统的典型影响分析及重点试验科目见表2。

表2 高寒环境典型影响分析及重点试验科目

2.2.2 高寒环境试验准备

在高寒地区组织试验的主要准备工作有：机组人员必须完成高寒环境飞行理论培训和模拟器培训，熟悉迅速脱离结冰区和积冰严重时的应急处置预案；飞行计划应充分考虑航路气象、地形、备降机场；机务部门在飞行前应充分做好防除冰系统和供电系统的检查和准备工作，场务部门应及时清理停机坪和跑道，以防止起飞和降落时出现吹雪现象，影响目视起 降条件。

3 直升机航电系统高原高寒环境适应性评价

3.1 评价指标体系

通过上述高原高寒环境对直升机航电系统试验的影响分析，利用层次分析法建立了直升机高原高寒环境适应性评价指标体系，如图1 所示。

图1 直升机航电系统高原高寒适应性评价指标体系

3.2 指标权重确定

对于直升机航电系统高原高寒环境适应性评价指标体系中各级指标的权重，这里采用层次分析法加专家评估来确定，假设指标iT 与 1iT+的相对重要度为ak，由多位专家针对一级和二级评价指标进行两两对比打分，得到判断矩阵M。

式中：元素ija 表示第i 个指标针对第j 个指标的相对重要度，iia =1，ija =1/jia ，(i， j =1，2，…，m)。判 断 矩 阵 应 满 足 一 致 性 条 件，即：或表明判断矩阵M 具有满意的一致性，满足直升机航电系统高原高寒环境适应性评价要求。一般地，判断矩阵M 中各元素的分值由熟悉问题的专家根据评价指标相对重要度评分定义（见表3）独立给出。

表3 指标相对重要度评分定义

由表3 确定矩阵M 中各元素的分值后续，则利用式（2）计算各级指标权重值，得到的各指标权重值。

3.3 模糊综合评价

考虑与评价对象相关的各种因素，对其所作的综合评价，定量化被评价对象的模糊指标。将权重系数模糊矩阵和模糊关系矩阵通过模糊运算，最终可以得到综合指标对各个评价等级的隶属度矩阵。模糊综合评价步骤如下所述。

式中：n 表示评价意见；m 表示评价指标；ijd 表示意见j 对应于指标i 的隶属度，i= 1，2，…，m， j= 1，2，…，n。

5）计算评价结果。评价结果R K= ⋅D。根据模糊评判矩阵D 和评价指标权重向量K ，计算得到直升机航电系统高原高寒环境适应性的模糊综合评价结果。

通过开展实地试验，收集试验数据，运用模糊综合评价法对某型直升机的高原高寒适应性进行综合评价。由多名参与试验的试飞员对指标体系中的各指标相对重要度进行打分，确定针对该型直升机各指标的权重值，见表4。然后对其二级指标进行模糊评价打分，按照最大隶属度原则确定评价对象（指标）的隶属度统计值，详见表5。

利用获得的评价指标权重，计算得到该直升机航电系统高原高寒环境适应性的量化综合评价值，R K= ⋅D=0.7692。综合评价值越高，则代表其高原高寒环境适应性越好。根据评价值与评语集“0.1，0.3，0.5，0.7，0.9”进行比较，该直升机综合评价值落在[0.7，0.9]区间内，因此，可以给该直升机航电系统的高原高寒环境适应性评估为“较好”。

表4 评价指标权重值

表5 二级指标隶属度统计

4 结论

1）高原地区直升机航电系统主要受地形、低气压、砂尘影响，可能带来的危害主要是通信质量变差、供电系统失效概率增大、砂尘静电引起电子设备故障等，应主要对直升机的通信系统、供电系统、供氧系统、电磁兼容性等进行验证。

2）高寒地区直升机航电系统主要受高纬度、低温影响，可能带来的危害主要是卫星通信系统建链困难、供电系统负载增大、环控系统加温效率下降、电子设备低温环境下故障率增加，应主要对直升机的卫星通信系统、供电系统、环控系统、无线电导航系统等进行验证。

3）高原高寒环境从多方面影响直升机航电系统的性能，不能用某单项性能指标来评价其高原高寒环境适应性，需要考虑多方面的影响因素。通过高原高寒实地飞行试验和环境适应性模糊评价方法相结合，可以为高原高寒地区直升机航电系统的环境适应性评价提供参考。运用该方法，得出某直升机航电系统的高原高寒适应性综合评价值为0.7692，适应性较好。