单发直升机发动机空中起动驾驶操纵及风险控制技术

2021-03-26王道明黄粱标巴唐尧刘建理徐尤松

直升机技术 2021年1期

王道明，黄粱标，巴唐尧，刘建理，徐尤松

(1.陆军航空兵试飞大队，江西景德镇 333002；2.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

在直升机使用过程中，因发动机失效引起的飞行事件不在少数。空中发动机一旦失效，如果应急处置操纵程序或方法不当，势必会对直升机和机上乘员的安全造成威胁。特别对于单发直升机，由于缺少备份动力，安全裕度较多发直升机要低，留给应急处置的时间窗口也小些。单发直升机的空中停车再起动能力是衡量型号安全性的重要指标之一。

此前国内未曾进行过类似的单发有人直升机空中停车再起动的试验。依据GJB 626A-2006《军用固定翼飞机和旋翼机科研试飞风险科目》标准中的评定方法，单发空中停车再启动试飞属于Ⅰ类风险科目。相对多发直升机，单发直升机发动机空中起动试验对飞行员的心理素质和飞行操作技术要求极高，对试飞任务策划的精准度，应急处置预案的合理性和可行性，以及飞行保障条件等方面的要求也极为苛刻，任何环节的失误，均可能会造成飞行试验的失败。

某型有人直升机装单台某涡轴发动机，为验证该型发动机的空中停车再起动能力，策划在某机场上空进行空中再起动飞行试验。2019年，针对该项任务，国内首次系统开展了单发空中再起动相关试飞技术和风险控制技术的探索，包括空中重起对飞行特性影响分析，重起失败风险评估，基于直升机自转特性的驾驶操纵模式设计，以及相应的降风险措施制定等，并在3000m高度成功实施了模拟发动机空中停车后的再起动飞行试验，实现了单发直升机飞行技术领域的新突破。

1 单发空中起动风险分析及程序

1.1 试验直升机及试验要求

某型5座单发轻型直升机，最大起飞重量1750kg，采用单旋翼带尾桨布局，滑橇式起落架，装备单台最新研制的国产某涡轴发动机。该发动机采用数字控制加机械备份操纵控制设计，含数控系统EECU、发动机滑油散热器、恒温活门、起动发电机等配套系统[1]。

按照GJB243A-2004 《航空燃气涡轮动力装置飞行试验规范》的规定，新研发动机设计鉴定必须通过空中起动考核。发动机空中重起飞行试验用于检查发动机空中起动的功能，评估发动机空中起动所需时间，验证和考核发动机空中起动的安全性和可靠性，同时建立单发起动失效特情处置的正确程序和方法。

飞行试验时直升机采用小重量和正常重心的配置，按正常程序开车，并进行机上系统和发动机特性相应检查后，爬升至3000m的试验高度,以久航速度平飞进入试验程序。采用小重量配置和中高度试飞，是为了万一发动机空中起动试验失败，直升机仍然能够实施相对安全的自转着陆处置程序。

试飞中将发动机PMS控制开关拨至“停车”位，立即再拨至“飞行”位。发动机电调将自动监控燃气涡轮转速Ng转速，当Ng转速下降至低于10%工作转速后，发动机应该自动进行起动，并加速到相应的功率状态。发动机重新起动过程中，飞行员根据直升机的飞行情况适当操纵总距杆，控制直升机飞行的速度和姿态。

1.2 空中起动试验风险评估

空中实施模拟单发失效重起试验时，发动机动力输出存在减弱—消失—恢复的过程，对直升机的飞行性能将产生非常大的影响，如果处置不得当，可能会衍生出一系列不良的后果：

1)随着飞行高度的增加，发动机进气口的空气压力、空气总温逐步下降，发动机燃烧室的油气比会偏离起动要求的设计范围，不利于燃料的燃烧，增加重起的次数和恢复动力的时间；

2)空中起动一般发生在发动机涡轮尚处于惯性空转的阶段，与旋翼系统的连接未脱开，发动机起动机的输出轴有一定转速，起动的瞬间产生的冲击扭矩较地面起动时大，启动机的离合器工作条件较为恶劣，有可能造成发动机启动机的损坏；

3)由于高空空气密度小，大气含氧量降低，用于发动机重起的起动机起动点火的条件变差，供油规律和燃烧区流场如果不适应空气密度的变化，将难以组织稳定的燃烧，起动机自身可能存在无法空中起动的情况。

试验过程中发动机无论是出现起动时间过长，还是高空无法起动的情况，直升机均会出现短时间或长时间的无动力飞行。为了避免发生直升机飞行失控或硬着陆的情况，试验过程中需要飞行指挥和飞行员对发动机再起动的状态进行快速判断和飞行决策，选择执行相应的飞行操作或进入应急处置程序，以确保飞行试验的安全。

为了将飞行试验的风险降为最低，制定以下降风险的措施：

1)在地面进行发动机未停转下的起动机起动，以检查在发动机一定转速下的起动过程中，起动机离合器是否能够正常工作；

2)在地面试验台上充分进行模拟发动机空中再起动试验，具有试验合格的明确结论，并完成地面模拟空中自动再起动试验；

3)在原型机上进行模拟空滑迫降或自转下滑着陆科目训练，熟悉应急处置操作；

4)从低高度到高高度依次进行发动机空中再起动试验；

5)飞行试验安排在机场跑道上空进行，云底高、能见度、风向风速等满足飞行试验及风险处置的要求；

6)场务按Ⅰ类风险进行保障，试验场地做好灭火、营救设备及人员等准备；

7)飞行试验前确认直升机无线电高度表、气压高度表工作正常；

8)组建试飞机组时，选择具有着陆决断点试飞经验的飞行员；

9)执行试验科目时，试飞指挥和试飞机组明确分工，试飞指挥把控试飞过程，提供辅助决策，正驾驶负责飞行操作和执行发动机重起程序，副驾驶负责监控旋翼转速。

1.3 空中重起飞行试验程序

为了在确保试飞安全的前提下验证单发空中再起动的能力，对飞行试验程序进行如下设计：

1)发动机地面模拟起动试验，通过试验熟悉发动机重起的操作程序，掌握重起后的发动机工作特性，了解发动机重起过程对载机及机上系统的影响；

2)发动机空中起动驾驶操纵设计，建立正确的飞行操纵方法，明确各种可预知飞行情况下的操作要领，对飞行员进行操作培训；

3)空中自转着陆等飞行训练，正式试验前，对飞行员进行模拟空滑迫降或自转下滑着陆科目的训练，培养飞行员良好的风险应对心理素质和处置操作的经验；

4)发动机空中起动实施，验证发动机空中起动的能力和可靠性。

2 发动机地面模拟起动试验

地面试验的目的是通过检查该涡轴发动机的功能、性能和可靠性，测试发动机和其附件温度，以及动力舱内部环境温度分布情况，试飞载机应急负载的大小，评估应急电源容量是否满足应急供电时间要求，为发动机空中起动安全提供保障。

主要试飞项目包括：

1) 发动机地面工作参数测定及工作稳定性检查：在地面开车试验，各功率状态下稳定工作3min；

2) 发动机地面加速性和减速性检查：以不同提放总距时间(分别为7s、5s、3s)在飞行慢车和不离地的最大扭矩状态之间的加减速试验；

3) 发动机地面起动特性检查：分别采用地面电源供电、蓄电池组供电进行起动试验,其中包含冷起动和热起动试验；

4) 发动机模拟空中再起动试验：模拟发动机空中停车后再起动的过程。

下面简单列出发动机加、减速试验和地面热起动试验情况，其他试验结果略。

发动机加、减速试验过程中发动机工作稳定，未出现超温、超转、超扭、喘振、熄火等故障，能够满足发动机起动对发动机快速操纵的要求。发动机工作曲线如图1所示。

图1 发动机加、减速工作曲线

某涡轴发动机在环境温度20℃～35℃左右条件下完成了多次机上蓄电池供电的“冷”态和“热”态起动试验。各状态下典型的起动性能数据如表1所示。

表1 发动机地面起动试验特征性能数据

试验结果表明：发动机地面起动成功率100%，起动时间满足指标要求；发动机地面模拟空中起动过程中，起动控制逻辑正常，成功起动到飞行状态，未出现超温、悬挂、喘振现象，起动时间为41s，满足指标要求。

3 发动机空中起动飞行操纵设计

3.1 飞行操纵

按照飞行试验要求，直升机以最有利速度爬升到高度3000m,在试验空域正常飞行。首先检查各系统的工作情况，保证机内机外通讯正常，速度、高度、姿态、发动机参数等数据正常。然后进入发动机空中起动试验准备，再次确认主驾、副驾任务分工。其中主驾驶员负责与地面指挥的联络以及试验直升机的飞行操纵；副驾驶负责发动机起动操作，并监控旋翼、发动机参数及高度等，辅助主驾驶飞行操作。

正式开始发动机空中起动前，主驾驶员将直升机飞行速度控制在最有利速度(约120km/h)附近，调整好航向和姿态，确定所处空域及机场位置，向地面指挥报告准备进行空中起动试验。得到地面飞行指挥许可后，副驾驶将PMS开关拨至“停车”位，立即再拨至“飞行”位。当发动机Ng转速下降到低于10%正常转速后，电调控制系统应该完成发动机空中停车判断，并自动进入重新起动程序；起动成功后，发动机应加速到相应飞行所需的功率状态。

依据发动机台架试验以及地面模拟起动试验结果，发动机重起动到正常运转的时间大约为40s左右。考虑3000m高空试验环境下的空气密度、空气温度和氧含量等因素，预估空中起动时间约在1min左右。因此，当副驾驶开始操作发动机重起时，保持通讯通畅，主驾驶立即将总距放置到底，使试验直升机进入自转状态。自转过程中通过适当操纵来调整直升机航向、姿态、下滑率和飞行速度，保持旋翼转速在正常转速的95%～103%范围内，飞行速度在130km/h到150km/h之间，下降率不大于7m/s。副驾驶在操作发动机重起的同时，负责监控发动机转速、旋翼转速指示、飞行高度、航姿、航向、航速等数据，为主驾驶提供辅助飞行数据，当发动机Ng转速恢复到正常转速的60%(绿区)时，即刻提醒主驾驶。主驾驶收到提醒后缓慢上提总距，操纵驾驶杆和脚蹬，直升机退出自转下滑，进入平飞状态，并报告地面指挥试验完成。

由于高空环境较地面更恶劣，发动机起动机也存在失效的概率，发动机高空重起存在多次起动方能成功或无法实现重起等情况。试验中，发动机多次重起次数不允许超过3次。在3次连续重起操作的过程中，主、副驾驶员时刻观察直升机飞行参数和发动机参数，严格按照预先设置的航路控制直升机飞行，并向飞行指挥通报情况，一旦连续3次起动失败，则进入应急处置程序：

1) 保持旋翼转速在95%～105%内；

2) 指示空速控制在Vy稳定自转下滑，在最后进近过程中尽可能迎风飞行；

3) 在离地≌21m高度，操纵驾驶杆拉平，控制旋翼转速不超过105%；

4) 保持抬头姿态，在离地6～7.6m高度上逐渐增加总距以降低下降率和前飞速度；

5) 操纵驾驶杆稍微前推以适应着陆姿态，调整脚蹬消除侧滑趋势；

6) 继续增加总距，减小下降率，进行滑行着陆；

7) 接地后使用驾驶杆、总距杆、脚蹬控制直升机滑行；

8) 滑行停止后，将总距杆全放下；

9)旋翼转速40%以下使用旋翼刹车。

依据之前同型号直升机下滑自转试验数据，旋翼转速控制在95%～105%正常转速之间，3000m高度自转到机场并着陆，下滑距离需20km左右，因此，发动机重起试验空域可参照此数据合理选择。

3.2 操纵要领

发动机重起试验时，主驾驶应特别注意下放总距的时机，如果操作执行过晚，由于失去动力，会造成旋翼转速过低，难以进入安全自转飞行状态。

如果执行自转着陆程序，直升机接近地面前，需提总距增加旋翼拉力降低下降率和前飞速度。要掌握好飞行高度和提距的速度，并配合驾驶杆操纵，防止出现直升机接地速度过大或姿态不正的情况。

接地后需柔和下放总距，避免出现桨叶向下挥舞过大而损坏或与机身碰撞。

由于该型直升机为双驾驶员，因此在遇到突发情况时，主、副驾驶应按分工职责，密切协同。如在自转着陆的过程中，主驾驶员的注意力应主要放在对直升机姿态的保持，着陆场地的选择，飞行速度和下降率的修正，接地时直升机有无倾斜，航向有无交叉等方面；副驾驶则应多观察直升机各仪表的指示，如速度、高度、旋翼转速等，提醒主驾驶及时操纵和修正。

地面指挥应时刻了解试验情况，提供飞行辅助决策。

飞行机组在执行试验前应完成发动机重起的相关操作培训，熟知试飞风险及应急处置程序，并开展试验前的空中自转及着陆训练。

4 空中自转及着陆训练

该涡轴发动机为新研发动机。发动机空中起动意味直升机需要无动力飞行一段时间。进行空中自转及着陆能够提升飞行员对自转特性的理解，最大程度保障试验安全。训练期间共完成了400m～3000m不同高度的自转下滑及着陆试验。速度130km/h，飞行员降旋翼至于低功率位置，进行自转下滑飞行试验。机载测试系统记录了直升机参数变化过程，得到直升机旋翼转速情况见图2，发动机下滑过程中的工作参数见图3。

图2 自转下滑过程旋翼转速情况

图3 下滑过程中发动机工作参数变化

直升机在自转下滑状态中，发动机在飞行和慢车状态均可以保持空载状态工作稳定。测定两种空载状态进入、稳定及退出过程中的工作参数，得出典型自转下滑过程工作参数见表2。

表2 发动机飞行状态的典型自转下滑过程工作参数

5 发动机空中起动实施

按GJB 626A-2006《军用固定翼飞机和旋翼机科研试飞风险科目》，发动机空中起动属Ⅰ类风险科目。场站进行了充分准备，试飞前一天对试飞科目内容、保障条件及可能出现的故障及应急处置措施进行了研讨与协调；经过厂所军充分的技术交流以及近期的专项科目训练，该涡轴发动机已满足单发直升机3000m发动机空中起动的实施条件。

9月6日上午8：30，起飞前给直升机加油，全机重量1600kg，并对直升机进行详细检查，特别是滑撬、发动机相关部件，确认直升机状态良好，试飞机场空域保持净空，直升机可以进行发动机空中重起试飞任务。9：00，主驾驶王道明、副驾驶刘建礼按正常程序检查直升机，坐上驾驶室，收听气象，风速风向，报告指挥，按程序开车。直升机各系统工作正常，悬停起飞，执行一个常规起落航线飞行检查直升机工作情况。调整速度至130km/h，以最佳爬升速度进行爬升，在9：25分到达高度3000m。再度进行2次迫降训练，观察直升机工作情况和高空气流情况。模拟训练结果表明直升机工作正常，气流相对稳定，可以进行发动机重新起动操作，由副驾监控并报告Ng变化的过程。10时18分主驾驶报告塔台指挥，准备执行发动机重新起动。主驾驶将直升机速度调整至120km/h，副驾驶将PMS开关拨至“停车”立即再拨至“飞行”时，发动机先熄火，“发动机停车”、“旋翼转速低”警告灯亮，直升机右偏。主驾驶立即将总距放低位，直升机进入快速自转下滑。当Ng下降至10%时，发动机自动执行再起动，“发动机停车”，主驾驶柔和上提总距杆，改出当前下滑状态。10时19分，发动机3000m起动成功。

发动机空中起动时间为31s，得到起动过程的工作参数见图4。

从图4中得出，气压高度从3522m下降到 3266m，环境温度从11℃上升到13℃，直升机飞行速度为130～140km/h(重新点火到Np恢复100%)，起动T45最高为770℃。

发动机空中再起动历程分析见表3。