AC311A型直升机加装倾斜航空相机设计与分析

2021-08-31俞东锋张裕兵王晖张有财

航空维修与工程 2021年4期

俞东锋张裕兵王晖张有财

摘要：直升机因其低速、机动灵活、起降要求低等特点，在航空测绘等领域广泛使用，而航空测绘设备的加改装也促进了直升机市场业务的拓展。本文基于AC311A直升机加装某型倾斜航空相机的实际工作，对加改装设计与分析过程进行说明，为同类型改装工作提供参考和借鉴。

关键词：相机；改装；设计；分析

Keywords：camera；modification；design；analysis

0 引言

随着近年来航空测绘技术的发展，航空摄影、测绘、地质勘探等业务蓬勃发展。航空测绘设备的加改装也成为了通航公司打开市场、创造盈利的重要手段。航空测绘工作一般要求精度高、平台稳定、可达性好，所以直升机往往是航空测绘设备的首选载机平台。

航测设备属于任务设备，对于通航公司而言，可以选择永久改装或者临时加装。高精度的航测设备维护要求高，维护成本和采购成本均居高不下。出于作业任务的多样性和成本控制考虑，通航公司一般采用临时加装的方案，即在有业务需求时进行设备的租赁和快速加装。这就要求设备加改装方案既能满足安全要求，又能快速拆装。

本文介绍了AC311A型直升机加装某型倾斜航空相机的项目工作，对航测设备临时加装的方案设计需考虑的安全性、功能性和验证要求等方面内容进行重点分析说明。

1 载机介绍

本项目加装工作所选取的载机平台为国产AC311A型直升机，这是一款民用高性能多用途轻型单发直升机，如图1所示。

AC311A直升机海平面标准大气环境主要性能参数见表1。

该直升机可靠性高、使用成本低；机体尺寸小、占地面积少，采用滑橇式起落架，可以在复杂的户外地形起降。其搭载的高性能发动机和增强型旋翼，使得该直升机具有优异的高原性能和充足的功率储备，能够胜任全疆域、多类型作业任务。

2 总体方案设计

总体方案制定工作是项目实施的首要工作，需要对加改装所要达成的技术指标和功能要求进行统筹考虑，根据设备的组成和系统原理，结合直升机结构特性，对设备的在机上的整体布局、安装形式、结构改装等内容进行分析和初步确认。

2.1 相机系统的组成和功能

此次项目选取的倾斜航空相机系统峰值工作功率360W，正常工作功率260W，采用24～28V直流供电，由倾斜相机主机、姿态控制盒、GSM4000相机云台、配电盒、锂电池、姿态控制盒、航拍显示器、飞行监控平板、相机控制器、GPS天线、GPS导航显示器及配套电缆接插件组成。

整个相机系统可以分为4个功能单元，如图2所示。

a）供电单元

由锂电池和配电盒组成，给整个相机系统供电；应急条件下，经过论证分析可行性，锂电池电源可临时替换为机上直流电源。

b）导航单元

由GPS天线和导航显示器组成，提供位置信号，并反馈给飞行员飞行航迹信息。

c）控制单元

由航拍显示器、飞行监控平板电脑、相机控制器组成。航拍显示器、飞行监控平板电脑由航拍操作员使用，进行设备控制、监控和拍摄效果观察。相机控制器是整个相机系统的中枢，进行信号的解调、交互和存储。

d）拍摄单元

由相机云台、姿态控制盒控制和相机主机组成，反馈和控制相机整体姿态，确保相机镜头角度符合拍摄要求。

相机系统整体功能模块的划分，也是相机安装布局设计的依据。2.2 相机系统的布局

根据相机系统的功能单元划分，可明确功能单元的使用人员和基本安装要求。

供电单元不存在使用要求，对位置没有特殊要求，但应尽量不影响其他设备安装和使用，不影响飞行员的操作和视野。在必要条件下，可能需要转为机上直流供电，应靠近操作员和直流电源接口，方便快速转电。

导航单元的显示器应在前舱方便飞行员观察的位置，同时考虑到AC311A型机单驾驶状态为右驾，考虑置其于附近位置。GPS天线需考虑信号遮挡问题，快速加装时，可考虑机外，也可考虑机内信号遮挡较小位置。

系统控制单元由操作员使用，操作员在作业时应在直升机后舱（乘员舱），该控制单元可考虑在后舱乘员座椅位置附近。

拍摄单元需要有足够的运行空间，同时考虑电磁环境和相机的体积，采用机外吊装的形式较为合理。

同类型的倾斜相机系统有类似的安装参考，如图3和图4所示。

AC311A直升机属于轻型单发直升机，机体小，重量轻。相机主机如采用内部安装，机身无专用的内部吊挂隔框，空间也不足以搭载相机拍摄单元；采用机身侧面的安装方式，需在結构主承力路径增加专用承力接头，且对横向重心的影响较大，常常需要增加额外的配重挂载进行平衡。

参考该机型加装光电吊舱、农林喷洒、灭火装置等设备的安装形式，采用机腹挂载形式，既可满足空间要求，也能确保重心可控，相机云台的安装也较为简单。

最终确认整个相机单元布局方案如图5所示。

导航单元处于右驾驶员位置，便于飞行员观察。借用仪表板遮光罩螺栓快速固定导航支架，天线位于前风挡透明有机玻璃下方位置，信号遮挡小。

供电和控制单元一起固定在后舱左座乘员位置的新增安装支架上。安装支架可使用系留钢索或钩型螺栓与座舱地板系留环快速连接，不增加结构更改。配电盒靠近后舱的直流电源插座，应急情况下方便取电。

拍摄单元通过安装支架的快卸接头固定于滑橇下方，确保重心可控和运动空间足够。

3 加改装方案评估分析

加装方案的评估分析，应贯穿于整个项目设计过程。目前，已有的加改装项目基本依据CCAR-21部《民用航空产品和零部件合格审定规定》以及AC-21-AA-2014-36《航空产品设计更改审定基础的确定方法》确认评估要求。

出于技术能力、成本和加改装效率考虑，“小改”是通航公司加改装的首选。“小改”要求对民用航空产品的重量、平衡、结构强度、可靠性、使用特性以及对民用航空产品适航性没有显著影响；这也是方案制定时的前提。本次倾斜航空相机加装方案就是基于“小改”的要求制定的。

要注意的是，“小改”是申报程序上的简化，但绝不是评估和验证的简化。评估分析可以遵循AC311A型机的取证基础CCAR-27部的相关要求，也可遵循普遍的通用评估分析要求。

“小改”也需要有审定基础的分析与验证，在总体方案评估时，可遵循以下内容进行分析。

3.1 重量重心分析

遵循“小改”的原则，加装设备后的整机重量重心应在载机平台原有的使用包线内，避免大量额外的重量重心验证工作。

重量重心分析应进行设备实际称重，并根据作业时可能遇到的各种极限使用状态进行分析和校核，出具单独的重量重心分析报告。方案评估阶段可根据设备资料和数模分析等进行预估，此次加装设备总重量（含安装支架）为130kg，横向重心略偏左，纵向重心靠前，分析结果见图6和图7。

图6和图7中外包线为载机平台的重量重心使用包线，内包线为设备加装后可能使用到的极限范围，可见此次设备加装可控制在原机重量重心包线范围内，无需额外验证。

3.2 飞行性能与品质分析

飞行性能和品质，主要影响因素在于气动外形、操纵系统、动力传动装置、旋翼系统，以及重量重心。所以，在“小改”设计时，尽量避免对这些系统进行更改或产生过大的影响。

得出相关功率参数后，可对载机的平飞和爬升性能进行影响评估。计算功率一般要乘以修正系数，可以简单认为当加装设备的的气动外形较为粗糙或不规则时，进行保守分析，即得出的功率应稍作增加；设备较为规则或增加了整流时，计算功率不做增加。因为是在方案评估阶段，给出相对合理的飞行试验的限制和参考数值即可。

而性能评估最简化的方法，是根据同类型加改装已有的数据进行类比借鉴，可认为有效。

此加装方案评估的结果是平飞最大速度降低约20kts，推荐的爬升速度情况下爬升率降低约300fpm，这些数值可作为飞行试验的参考数值。同时，因设备的加装，应对相关的飞行坡度等进行限制，并且禁止粗猛的操作验证，以确保安全。

3.3 强度分析

强度分析分为静强度、疲劳和动力学分析三方面，具体可以理解为包括结构强度分析、受力布局合理、结构寿命满足使用、结构设置不产生共振。最终需出具强度分析报告。

强度分析和设计时，首要是选材，应选用许用的航空标准材料。关键结构点尽量避免焊接、粘接等难以校核和说明的连接方式。一般简化的强度分析，可只对结构受力的关键点进行分析。但必须确认结构的传力路径完整，即加装结构在使用时的各方向载荷都能有效传递给机身主体承力结构，而不出现缺少约束的情况。

对于结构分析，遵循载机平台适用的CCAR-27部《正常类旋翼航空器适航规定》，区分结构安装位置，通过计算确认关键节点连接件（螺栓、铆钉等）强度能够在极限载荷下不破坏，内部载荷要求见表2。

外部結构的载荷根据实际飞行极限载荷，或者27部C章强度要求（飞行载荷要求）或者27.865条的一些规定进行制定。

关于疲劳分析，可根据关键点的载荷受力进行简单说明。动力学特性往往通过仿真分析给出初步结论，再进行地面试验和飞行试验。实际通航加改装时，在确保结构牢固、安装可靠、满足极限载荷要求的情况下，一般直接采用地面运转方式校核动力学特性即可。当然，借鉴类比也是简单可行的。

3.4 电气负载分析

电气负载分析主要针对在机上取电的设备，确认取电方案的合理性。主要考虑使用电流、峰值电流，以及功率的提取。要求是设备运转时的电流不会超出机上取电线路的负载限制，设备在机上的功率提取不会对整机电气功率裕度产生过大的影响。

此次加装设备采用自带电源，可不考虑此类问题，但应确保自带电源的安全性。

应急情况下，设备可能转为机上取电。考虑设备工作功率360W，正常工作功率260W，机上直流电源为24V，工作电流为10～15A，至少确保该直流电源线路具有15A的供电能力。整机在所有设备打开时剩余电气功率超3kW，裕度充分。这作为评估项，可作为备份的验证项目，必要情况下可将验证结果纳入持续适航文件等指导性文件中，用于指导设备使用。

3.5 电磁兼容分析

电磁兼容分析，都需要通过试验的形式得出相关结论。在方案设计时，应保证设备远离机上大功率装置；设备运行单元远离机上易受影响的天线、敏感传感原件等。成品设备的电缆往往采用屏蔽线，本身具有一定的抗干扰能力，所以合理选取线缆通道是电磁兼容设计时需要着重考虑的问题。

电磁兼容的试验和结果处理相关要求，可参考适航咨询通告等。

3.6 其他分析

其他分析则见仁见智，可以综合参考CCAR-27部的章节进行影响内容选取和評估。此次加装方案根据个人工作经验和前期项目类比借鉴，具体参考见表3。

4 结论

任务设备加改装是通航公司面向市场的必要手段，但通航公司往往出于技术能力和成本控制考虑，加改装缺乏规范性和指导性。本文通过AC311A直升机加装倾斜航空相机的项目设计与分析，介绍了航测设备加改装方案设计的一般程序，给出了方案分析评估的要点，为同类型加改装工作提供参考和必要的安全提醒，归纳如下：

1）加改装方案，应从成本、实施周期、项目定位、验证难度、后续验证工作量和设备使用功能需求出发，选取合理的布局和安装方案，尽量避免对载机平台的主要系统进行更改，选取成熟的、参数明确的产品和材料；

2）加改装虽然要考虑成本和技术难度，但对基础的具有普适性的重量重心、飞行性能和品质、强度、电气负载、电磁兼容影响一定要考虑和评估，这是项目方案制定的基础和必要参考条件；

3）虽然加改装带来的对载机运行要求上的更改可以通过指导文件进行说明，但应尽量避免增加不必要的限制；

4）项目评估分析应不怕麻烦，越充分越好，迭代优化需贯穿整个项目实施过程；

5）必要的类比借鉴，是非常有效且实用的加改装项目设计和分析方法。