民用直升机可变旋翼转速模式对适航审定的影响

尹崇 高郭池 全敬泽 杨华 刘文

摘  要：可变旋翼转速模式在直升机性能、噪声环保以及经济性等方面的突出表现，得到了国内外直升机设计厂商的重视。结合国内外可变旋翼转速技术直升机的实际使用情况，以国内外直升机审查工作为基础，归纳了可变旋翼转速模式工作的主要方式。对该技术涉及的直升机适航规章条款进行归纳总结，分析了对相关条款符合性的影响情况，提出了可变旋翼转速直升机审查过程中的重点关注方向。为相关民航直升机的适航验证工作和审定工作提供借鉴和指导。

关键词：直升机  可变旋翼转速  适航  飞行试验

中图分类号：V27                                 文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0010-03

Abstract： The performance of the variable rotor speed mode in the aspects of performance， noise， environmental protection and economy of the helicopter has been paid much attention by the domestic and foreign helicopter designers. Based on the practical application of the domestic and foreign helicopters with variable rotor speed technology， the main working modes of the variable rotor speed mode are summarized based on the inspection work of domestic and foreign helicopters. This paper summarizes the rules and regulations of helicopter airworthiness related to this technology， analyzes the influence on the compliance of relevant rules and regulations， and puts forward the key attention direction in the review process of helicopter with variable rotor speed. It provides reference and guidance for the airworthiness verification and certification of relevant civil aviation helicopters.

Key Words： Helicopter; Variable rotor speed; Airworthiness; Flight test

可变旋翼转速技术由于能够有效提升直升机性能和飞行特性，改善直升机噪声水平，Steiner等研究了变转速旋翼对直升机性能和配平的影响，研究表明降低转速可明显提升直升机性能[1]。南京航空航天大学以黑鹰直升机为研究对象，对变转速旋翼直升机动力学建模及仿真进行研究探索[2]。以可变旋翼转速技术发展而来的自适应技术，其最大的优势是根据飞行状态的变化，优化旋翼参数，以适应不同飞行状态和环境的需要，最大限度地提升旋翼性能[3]。

随着越来越多直升机制造厂商关注和重视优化技术，国内外已有很多直升机型号采用可变旋翼转速模式。该项技术的应用会对直升机动力装置、结构构造、传动系统等方面提出更高的要求，同时也对民航的适航验证和适航审定工作带来新的考验[4]。

旋翼转速优化的核心是根据飞行条件的不同实时调整旋翼转速，按照设计好的最优旋翼转速飞行，降低发动机耗油量，增加直升机航时[5]。以《运输类旋翼航空器适航规定》为例，可变旋翼转速模式涉及但不限于：悬停性能、爬升性能、飞行特性、动力装置、旋翼传动系统、空速限制、飞行手册使用限制、直升机仪表飞行适航准则等规定。针对噪声水平的影响，审定要求还涉及《航空器型号和适航合格审定噪声规定》。根据旋翼航空器的分类，直升机在通航领域应用更加广泛，也因此会更多涉及适航验证工作。

1  可变旋翼转速方式

调整主旋翼转速的方法有两种：（1）通过调整发动机转子输出轴转速;（2）通過改变传动系统传动比。而改变传动比实现变旋翼转速更符合实际[6]。为了达到旋翼转速可变的目标，国内外厂商采用了多种实现方式，控制方式也从简单的手动控制向自动控制方向发展。

1.1 国内型号

某运输类直升机具备可变旋翼转速模式。该模式主要分为自动变速和手动变速两种方式实现。自动变速模式是在海平面至2000英尺压力高度范围内自动运行。该模式下，可实现旋翼转速从355转每分至360转每分的线性变化。通过旋翼转速的变化，适当弥补由于高度增高而引起的直升机性能下降。

手动调节旋翼转速主要为区别于正常转速模式，是通过选择365转每分最大旋翼转速提升直升机性能。主要应用于以下情况：进行A类高架直升机平台起飞;在2000英尺压力高度以上，且距离地面距离10英尺以上悬停。该模式在提高直升机性能的同时，也提高了燃油流量和噪声水平。

1.2 国外典型型号

A160/A160T“蜂鸟”直升机结合了“最佳转速旋翼”（OSR）专利技术，采用刚性桨叶系统，可以根据实际飞行状态的需要及时改变旋翼转速，调整发动机功率。当转速降低到150～350转/分时，可以有效地获得空中盘旋所需的升力，而旋翼所需的动力减少将近一半，油耗明显减少。随后的A160T采用PW207D涡轮发动机，在保证转速变化要求的前提下，弥补了之前发动机功率不足的缺陷。合理的机身结构设计使得A160T最大起飞重量为2950kg，空重约为1045kg，能携带1045kg燃油和860kg的有效载荷。在一次试飞中它的大速度达到了260kg/h，创造了最大续航时间18.7h的世界纪录。

2  对适航审查工作的影响

2.1 操纵品质

适航规定中包含关于操纵性和机动性的要求范围，即稳定飞行和各机动飞行阶段。旋翼转速的变化会对整个变化范围内的飞行阶段进行影响，适航验证的影响范围也随之扩大。旋翼转速的变化过程对直升机的纵向和横向静稳定性也会产生影响，特别是仪表飞行规则下的稳定性验证，需要对旋翼转速过渡阶段进行考虑。同样，动稳定性需要在最佳爬升速度至不可逾越速度间进行验证，旋翼转速的变化引起的状态改变同样需要进行验证。

2.2 功能风险评估

通常情况下，旋翼转速可变模式会对机组的操纵方式产生影响。基于此，需要考虑误操作或此模式功能失效造成的影响。特别是A类和B类不同要求下会因不同等级的功能失效而产生不同的结果。

2.3 涉及的临界点

临界马赫数：直升机进行大速度前飞时，前行桨叶桨尖通常最先达到临界马赫数（桨尖后掠需另行考虑）。此临界马赫数可能与直升机的不可超越速度的确定相关。

2.4 快速下降状态

当直升机处于快速下降状态，由于总距位置处于接近自转状态时，发动机与主减齿轮可能处于分离阶段。此阶段快速提升总距会发生不可接受的旋翼转速下降，从而影响飞行状态的控制。

2.5 人为因素

相对于定旋翼转速直升机，可变旋翼转速直升机涉及不同飞行状态下直升机姿态反馈。驾驶舱仪表显示也应确定是否需要及时通知驾驶员当前的旋翼转速状态。因增加旋翼可变转速模式而对操纵装置的改变需要进行评估。旋翼转速变化的过渡阶段对自动飞行控制系统的性能以及故障模式下的影响也需要进行评估。

2.6 对飞行特性的影响

对直升机飞行特性的分析通常以动量理论和叶素理论为基础，通过构建的简化的模型，对旋翼转速变化时直升机飞行特性进行了分析。分析结果表明：直升机在较低转速无法进行配平;另一方面，旋翼转速过低反而有可能增加旋翼的需用功率。旋翼总距和纵横向周期变距随旋翼转速的降低而加大，旋翼桨轴的纵向和横向倾斜角随旋翼转速的降低而减小。

在适航验证工作中，通常要求验证整个运行包线内的飞行特性。与传统固定旋翼转速直升机在不同速度范围内的验证工作不同，可变旋翼转速需要根据不同飞行阶段适用的旋翼转速进行验证，通常需要增加验证试验点。另一方面，自动调节旋翼转速直升机存在旋翼转速过渡阶段。根据前文的研究结果，旋翼转速的变化可能引起配平能力的变化，且需用功率的变化也可能引起直升机飞行姿态的变化。因此，在飞行特性的验证过程中应该充分考虑适航验证工作中适用的旋翼转速以及旋翼转速变化过程对直升机状态的影响。

4  结论

分析了国内外典型了旋翼变转速直升机案例，对飞行特性相关的规章条款以及飞行试验的验证方法进行了剖析。通过对适航审定中可能涉及的内容进行了分析，说明了可变旋翼转速模式进行适航取证过程中需要考虑的因素。证明了直升机可变旋翼模式能够直接影响不同环境条件下直升机多个飞行阶段的飞行特性。对民航直升机的适航验证和审定工作具备指导和参考价值。

随着优化旋翼技术的不断发展，还出现了旋翼变体技术等进一步优化直升机性能的新技术[7]，随着技术力的不断发展，适航验证也应继续与时俱进，不断创新。

参考文献

[1] 孙宇.变转速刚性旋翼载荷分析与试验研究[D].南京航空航天大学，2016.

[2] 查倩雯.变转速旋翼直升机动力学建模及仿真分析[D].南京航空航天大学，2018.

[3] 韩东，董晨，魏武雷，桑玉委.自適应旋翼性能研究进展[J].航空学报，2018，39（4）：27-46.

[4] 宋彦国，王焕瑾，林子国.变距变转速多轴旋翼飞行器性能分析与试验[J].航空动力学报，2018，33（5）：1033-1040.

[5] 徐明，李建波，彭名华，刘铖.基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计[J].航空学报，2016，37（7）：2170-2179.

[6] 姚文荣，宁景涛，张海波.基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究[J].推进技术，2017，38（2）：434-441.

[7] 韩东，林长亮，李建波.旋翼变体技术对直升机性能的提升[J].航空动力学报，2014，29（9）：2017-2023.