贝尔505直升机总距杆疲劳安全适航指令研究

陈宇金 李宏 李保良

摘要：针对近期加拿大民航当局就贝尔505直升机总距杆断裂发出了多份紧急适航指令的事件，在深入分析该机型飞行操纵系统、液压系统和旋翼系统的设计特征的基础上，总结了其地面操纵行程检查中总距操纵力的特点，同时分析了该系列紧急适航指令颁布的发展变化历程和总距杆疲劳断裂原因，给出了疲劳安全适航指令颁布和直升机飞行操纵系统操纵线系及操纵装置疲劳安全设计的相关建议，指出需要注意地面使用维护和检查过程中产生的非飞行疲劳载荷因素。上述研究成果可用于紧急适航指令的颁布和适航审定安全风险的识别处理。

关键词：适航指令；直升机；飞行操纵；总距杆；疲劳断裂

中图分类号：V227+.1文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.009

加拿大交通运输部适航当局在2021年2月21日—4月2日发出了CF-2021-05、CF-2021-05R1、CF-2021-05R2和CF-2021-05R3[1-4]共4个版本的紧急适航指令。这些适航指令针对贝尔505直升机飞行操纵系统总距杆断裂不安全事件，逐步颁布了相应的安全补救措施和最终设计更改。在发生总距杆断裂事件时，由于不确定导致疲劳断裂的实质原因，适航当局先颁布一版紧急适航指令，并且随着事件调查的进展，逐步修订完善该适航指令，确保该型号直升机的持续运行安全。最终调查结论是总距杆设计缺陷导致的疲劳断裂，这一点打破了人们对直升机飞行操纵系统操纵装置一般采用静强度设计的常规认识。

直升机总距操纵杆用于控制旋翼升力的大小，实现航空器高度的变化，同时也与发动机油门联动，是发动机功率控制的主要手段。因此，总距杆断裂会使得直升机失去高度和功率的控制，导致灾难性安全事故的发生。

疲劳断裂一般以疲劳裂纹为初始征兆，但是疲劳裂纹常常发生在人眼不可见的结构内部或不易观察的隐藏部位[5]，即裂纹较难通过地面维修检查来发现。这也导致疲劳断裂可能毫无征兆地突然发生。因此，直升机总距杆疲劳裂纹引起断裂，导致灾难性事故的安全风险极大，需要在持续适航管理和系统设计中谨慎处理。

本文通过此系列适航指令和该机型飞行操纵系统的相关分析研究，总结出直升机飞行操纵系统相关的疲劳安全适航指令发布和零部件疲劳安全设计相关建议，促进航空器的持续适航管理和安全性设计。

1贝尔505直升机

1.1直升机概况

贝尔505直升机是贝尔公司研发、加拿大米拉工厂制造的当代新型5座直升机。采用常规主旋翼加尾桨构型，长12.93m，主旋翼直径11.28m，高3.25m，如图1所示。最大巡航速度231km/h，最大航程667km，最大起飞重量（质量）1669kg[5]。该机型从2013年开始研制，在2016年12月23日获得了加拿大交通运输部适航当局的型号适航证，在2017年7月获得美国联邦航空局（FAA）的高海拔飞行型号合格证（TC）。在2018年4月28日获得了中国民航局颁发的型号认可证（VTC）。

1.2飞行操纵系统特征分析

飞行操纵系统是传统的机械液压飞行操纵系统，包括主旋翼周期变距、总距和尾桨航向操纵，如图2所示。它用于控制直升机飞行姿态、高度和航向。主旋翼周期变距和总距飞行操纵系统是单套液压助力，以避免飞行员承受桨叶气动操纵力，降低操纵负荷。尾桨航向操纵是纯人力操纵。驾驶舱具有可选双驾驶操纵组件，以提供副驾驶的操纵能力，进而协助正驾驶飞行。

1.3液压系统特征分析

液压系统为飞行操纵系统周期变距和总距操纵提供液压动力，主要包括液压泵、压力油滤、油箱油滤组件、三台液压助力器和液压管路接头，如图3所示。液压系统只有一台安装在传动系统主减速器上，由主减速器驱动的液压泵，因此在地面开车前，即旋翼、传统系统运转之前，液压系统不能为飞行操纵系统提供液压动力助力。

1.4旋翼系统特征分析

旋翼系统包括主旋翼系统和尾桨系统。主旋翼包括主桨毂、主桨叶和自动倾斜器。主旋翼提供升力以及周期变距和总距操纵。主桨毂是下悬挂和半刚性，装配两片桨叶，如图4所示。主桨毂通过拉扭条这种半刚性形式来实现变距和摆振的运动副。

1.5航前地面检查总距操纵力分析

在直升机飞行前，飞行员需要对飞行操纵能否在全行程范围内运动进行确认，以确保直升机在正常飞行以及异常飞行情况下均能进行正常操纵，从而实现继续安全飞行或着陆。直升机旋翼系统既是升力面又是操纵面，旋翼系统和传动系统是直接机械刚性交联的，直升机开车旋翼运转后，旋翼对机身具有操纵功效，执行全行程操纵运动检查会导致直升机翻转触地损毁。因此，该项检查只能在开车前执行。

由上述贝尔505直升机飞行操纵系统、液压系统和旋翼系统特征分析可知，在飞行操纵系统航前地面操纵检查时，发动机不工作，旋翼传动系统不运转，液压系统不能为飞行操作系统提供液压动力助力，而且主旋翼采取半剛性变距操纵方式，由刚度变形提供桨叶变距自由度，再加上旋翼桨叶变距运动惯性力和摩擦力，这些导致主旋翼变距操纵力矩大，特别是总距需要同时操纵所有桨叶、同时等量变距，这使得该型机飞行员在执行航前地面操纵检查时，总距操纵力较大。

2总距杆断裂紧急适航指令

加拿大民航当局针对贝尔德事隆加拿大有限公司研制的贝尔505直升机总距杆断裂不安全事件，在2021年2月21—4月2日发出了4个版本的紧急适航指令来确保贝尔505直升机的持续适航安全，这4个紧急适航指令分别是CF-2021-05、CF-2021-05R1、CF-2021-05R2和CF-2021-05R3，这4个指令是后续版本替代前面版本的关系。同时，贝尔德事隆加拿大有限公司相应发出紧急服务通告ASB50-21-20、ASB505-21-20_RA、ASB505-21-20_RB和ASB505-21-20_RC[5-9]，这4个紧急服务通告也是后续版本替代前面版本的关系。

2.1 CF-2021-05

2021年2月21日，加拿大民航當局发布了紧急适航指令CF-2021-05。

2.1.1主要内容

（1）主题：旋翼飞行控制-总距操纵系统-总距杆和手柄组件失效。

（2）适用范围：贝尔德事隆加拿大有限公司（贝尔）505型直升机，系列号65011及后续。

（3）符合要求：在下一次飞行前完成，除非已经完成该指令。

（4）背景：贝尔公司收到正驾驶总距杆和手柄组件（总距杆）断裂的报告。断裂位置位于地板上以及总距杆与扭轴的连接位置。该问题出现在发动机起动前的飞行操纵系统机上地面行程检查过程中。断裂的原因还在进一步地研究中。由于其他505型机可能存在潜在的类似断裂，贝尔公司制定了紧急服务通告（ASB）505-21-20，执行一次裂纹检测检查，裂纹可能使总距杆失效，进而导致直升机失去控制。为了防止正驾驶总距杆失效，加拿大交通运输部发布了该适航指令（AD），强制要求按ASB 505-21-20执行检查。本AD认为是一个过渡的行动。加拿大交通运输部可能强制要求采取进一步的纠正行动。

2.1.2纠正行动

（1）开展一次目视检查，如果需要的话，按照2021年2月20日发布的ASB505-21-20完成指令开展总距杆裂纹探测萤光渗透检查。

（2）如果发现正驾驶总距杆不可以继续使用，在飞行前将该总距杆更换成可以使用的总距杆。可以使用的总距杆是指新的总距杆，或者是在（1）行动中，目视检查或荧光渗透检查中没有发现裂纹的总距杆。

2.2 ASB505-21-20

2021年2月20日，贝尔德事隆加拿大有限公司发布了紧急服务通告ASB 505-21-20。

2.2.1主要内容

（1）主题：针对正驾驶总距杆和手柄组件M207-20M478-041/-043/-047开展一次详细检查。

（2）紧急服务通告给出开展一次正驾驶总距杆和手柄组件裂纹检查的指令。

2.2.2实施指南

（1）如果需要的话，执行一次所需的调机飞行是可以接受的，将直升机返回到最近的已批准的修理厂，在那里接受检查。调机飞行必须受到以下限制：最小机组用于调机飞行；获得可能的（包括当地民航当局的）任何批准是航空器所有人或运营人的责任。

（2）将直升机调整为待检查状态。

（3）从扭轴组件拆卸正驾驶总距杆和手柄组件（见图5）。

（4）用经清洗剂湿润的干净布清洗图6所示的正驾驶总距杆和手柄组件区域。

（5）在强光源下使用10倍放大镜检查图6所示的正驾驶总距杆和手柄组件完整周向区域。如果在用10倍放大镜检查过程中发现有裂纹，或者怀疑有裂纹，在裂纹所在区域开展一次荧光渗透检查；如果经荧光渗透检查后确认是裂纹，那么正驾驶总距杆和手柄组件将被认为不可使用。在进一步处理前，将该问题和图片报告给产品支持工程部；如果荧光渗透检查鉴定不是裂纹，则恢复安装。

（6）如果在用10倍放大镜检查过程中没有发现有裂纹，则恢复安装。

（7）在直升机履历本上，按紧急服务通告开展检查的记录。

2.3 CF-2021-05R1

2021年2月26日，加拿大民航当局发布了紧急适航指令CF-2021-05R1，替代CF-2021-05。

2.3.1主要更改内容

对断裂的总距杆和另一根有裂纹的总距杆检查表明是疲劳裂纹。基于贝尔公司的发现，紧急适航指令CF-2021-05和紧急服务通告（ASB）505-21-20规定执行一次裂纹检测检查是不够的。因此，贝尔公司发布了紧急服务通告（ASB）505-21-20_RA，要求重新荧光渗透检查，以检测更小的裂纹。由于相关检查正在进行，还需要进一步收集分析数据，本AD被认为是一个过渡的行动。加拿大交通运输部可能强制要求采取进一步的纠正行动。

2.3.2纠正行动

（1）初始检查

（a）在进一步飞行前，开展一次初始总距杆荧光渗透裂纹探测检查，以前做过检查是可以接受的。

（b）如果发现正驾驶总距杆不可以继续使用，在进一步开展飞行前将该总距杆更换成可以使用的总距杆。可以使用的总距杆是指新的总距杆，或者是在（a）行动中，目视检查或荧光渗透检查中没有发现裂纹的总距杆。

（2）重复检查

（a）重复荧光渗透检查，检查间隔不得超过25飞行小时。

（b）如果发现正驾驶总距杆不可以继续使用，在进一步开展飞行前将该总距杆更换成可以使用的总距杆。

（3）允许直升机运营人开展配备双驾驶操纵的调机飞行，以将直升机飞到维修基地来开展荧光渗透检查，但是必须让副驾驶执行飞行。

2.4 ASB 505-21-20_RA

2021年2月26日，贝尔德事隆加拿大有限公司发布了紧急服务通告ASB 505-21-20_RA。主要更改内容与2.3条描述一致。

2.5 CF-2021-05R2

2021年3月4日，加拿大民航当局发布了紧急适航指令CF-2021-05R2，替代CF-2021-05R1。主要更改内容如下。

（1）背景：进一步的荧光渗透检查表明，正驾驶总距杆可能会在非常低的飞行小时内出现裂纹。因此，贝尔公司发布临时版本的飞行手册，禁止单个飞行员在右侧正驾驶位置飞行。

（2）实施：在飞行手册中增加了飞行限制。

2.6 ASB 505-21-20_RB

2021年3月4日，贝尔德事隆加拿大有限公司发布了紧急服务通告ASB 505-21-20_RB。主要更改内容与2.5条描述一致。

2.7 CF-2021-05-R3

2021年4月2日，加拿大民航当局发布了紧急适航指令CF-2021-05-R3，替代CF-2021-05-R2。主要更改内容如下发。

（1）背景：在上一份指令发布之后，贝尔公司重新设计了总距杆，以消除根部导致裂纹的因素。该指令强制要求实施该设计更改，或者如果不采取该设计更改，就限制使用。

（2）实施：更换总距杆杆体。

在该指令生效后的12个月内，完成下列工作：按照贝尔公司2021年3月11日发布的服务通告ASB 505-21-20_RC完工指令，用重新设计的总距杆杆体更换机上总距杆杆体；去除飞行手册中的飞行限制内容，通知飞行机组相关更改。

2.8 ASB505-21-20_RC

2021年3月11日，贝尔德事隆加拿大有限公司发布了紧急服务通告ASB505-21-20_RC。主要更改内容与2.7节描述一致。

3适航指令分析

本适航指令是一个典型的使用过程中发现安全隐患，进而发布适航指令的事件。贝尔505直升机在某次飞行前的地面检查中，出现了正驾驶位置总距杆断裂的事件。为了紧急应对该事件，在未调查清楚事件原因的情况下，发出了目视检查要求，即在目视有裂纹或怀疑裂纹的情况下，通过做荧光渗透检查来确认是否真正存在裂纹。

在得出断裂是疲劳裂纹导致的结论后，考虑到微小裂纹的可能性，紧急修正前面的指令，要求全部做荧光渗透检查，确保没有裂纹，并且进一步要求每隔25飞行小时重复通过萤光渗透检查来监控是否发生裂纹。

在大量统计分析总距杆裂纹检查数据后，得出存在较短飞行小时内出现裂纹的情况。为了保证安全，更进一步需要禁止正驾驶位置单个飞行员执行飞行任务的指令。

在完成事件调查和设计更后，发出最后适航指令，实施设计更改。

针对该事件，在一个多月之内，加拿大交通运输部适航当局连续发出4次适航指令，这说明贝尔公司和加拿大民航当局对该断裂事件预判不足，未能尽早根据理论知识、工程经验及时做出较为完整、安全且有效的适航指令，导致了一定的安全风险。当然，他们也能通过检查数据分析，及时完善修订适航指令，及时保证安全。这也是在对不安全事件认识不到位的情况下，采取了较好的处理措施。

4总距杆疲劳断裂分析

该机型正驾驶总距杆为了便于与总距扭轴安装，在根部开有侧槽。侧槽这种设计形式容易存在加工导致的微小原始裂纹情况。由1.5节可知，该机型在航前地面飞行操纵行程检查时总距操纵力较大，总距杆根部（与扭轴连接处）承受飞行员操纵力放大过来的弯矩。由于飞行员实施每次飞行前的往复大行程操纵，这也就导致总距杆根部承受较大的低周交变疲劳载荷。当总距杆根部存在的该低周交变载荷能足够导致实质性疲劳损伤时，在该疲劳载荷作用一段时间后，疲劳损伤积累最终导致总距杆根部侧槽处疲劳断裂。

因此，该机型正驾驶总距杆的根部安装侧槽设计存在疲劳安全隐患。贝尔公司对此开展了总距杆根部加强改进设计，以降低直升机航前飞行操纵系统机上地面行程检查的长期交变操纵载荷作用疲劳损伤效果，确保不会疲劳断裂。

5疲劳安全适航指令发布建议

适航指令分为一般适航指令、紧急适航指令和特殊适航指令[10]。当一种不安全的状态对飞行安全有直接的风险，需要所有人/运营人采取紧急行动时，适航当局将不再征求公众意见，直接颁发紧急适航指令。贝尔505总距杆断裂事件的适航指令是典型的紧急适航指令。在贝尔505直升机某架机的地面操纵行程检查过程中发生了总距杆杆体断裂后，进一步通过金相分析得知是由初始裂纹引起的疲劳断裂。經过评估安全风险后，认为该事件会危及该型号直升机的飞行安全，在未彻底查清总距杆断裂本质原因之前，发出紧急适航指令，开展裂纹目视检查为主、荧光渗透检查为辅的工作。接着根据检查数据开展安全风险评估后，在得出可能在运行中产生微小裂纹进而导致断裂后，重新修订紧急适航指令，开展全面的荧光渗透检查，并且每隔25飞行小时检查一次。在根据检查结果开展进一步风险分析后，得知存在较短时间内出现裂纹的案例，又重新修订紧急适航指令，禁止任何时间单个正驾驶飞行员飞行。在完成事件原因分析和设计更改后，发出最后版本的适航指令，实施正驾驶总距杆设计更改。

根据上述事件历程，建议的疲劳安全适航指令发布一般规则如下：（1）当发生不安全事件后，应立即开展风险评估，即基于疲劳断裂事件信息采取风险的危害性和对应概率评估的方法，用于判定航空器相应系统在持续运行中的不安全状态；（2）在疲劳断裂原因判断不明时，可以根据所导致不安全状态的程度，发出紧急适航指令开展裂纹检查，停止运行或限制运行；（3）应及时按进展逐步综合相关裂纹检查数据开展分析信息，及时逐步制定后续缓解风险措施及其符合性时间的期限。为确保持续运行安全，可根据实际情况发布临时紧急适航指令修订版本，直至针对疲劳断裂的设计更改获得审批，发出最终适航指令。

6疲劳安全设计建议

直升机机械飞行操纵系统疲劳强度传统设计一般原则是指系统中承受主、尾桨叶传递过来的交变气动铰链力矩载荷作用的零部件需要开展疲劳设计并进行疲劳试验，符合27部或29部适航规章[11-12]的第29.571有关规定。这一点在国际上也是通行的原则。根据该原则，对于贝尔505直升机这种传统机械液压助力飞行操纵系统，由于助力器隔离了旋翼桨叶的气动铰链力矩，需要开展疲劳强度设计的部件就仅是助力器及其后端承受气动载荷的操纵线系。助力器前端的操纵线系和座舱操纵装置零部件仅需考虑静强度设计，即按适航规章27部规定的操纵装置设计载荷，如第27.397规定总距杆飞行员操纵力为445N，按力传动比和载荷传递路线，计算得出每个零部件的限制载荷，按此载荷开展静强度校核。

根据上述一般设计原则，贝尔505直升机总距杆仅需按445N的飞行员操纵力，按照不同破坏形式找出危险截面，进行静强度计算。这使得该机型总距杆没有考虑飞行操纵系统地面行程检查时承受的较大低周疲劳载荷，也就没有开展相应疲劳强度计算分析和试验，在零部件细节设计和工艺设计中也没有考虑抗疲劳设计要求。该一般原则对于传统的采用铰接式桨毂旋翼系统的类似直升机是适用的，铰接式桨毂变距运动副是滚珠轴承，桨毂变距操纵力矩小。但是对于贝尔505直升机，为了提高旋翼系统性能，采用了柔性桨毂，大大增加了桨毂变距操纵力矩。这也是贝尔505直升机总距杆疲劳断裂的重要原因。因此，对飞行操纵系统疲劳安全设计建议如下。

（1）对于助力器前端的操纵线系和座舱操纵装置零部件，需要开展可能存在的低周疲劳载荷计算分析，以确定是否需要开展抗疲劳设计。在低周疲劳分析过程中，特别需要考虑地面行程检查旋翼操纵力、操纵阻尼器阻尼力和系统弹簧载荷力是否会产生低周疲劳损伤，进而导致疲劳断裂。

（2）助力器前端的操纵线系和座舱操纵装置零部件一般为金属构件，为提高零部件结构的疲劳强度，需要从结构材料、应力水平、结构布置、加工工艺、连接形式、传力路线等多方面仔细分析和精心设计。因为疲劳破坏通常从局部地方开始并扩展，所以局部应力、扩展速率对零部件结构的抗疲劳性能十分重要。零部件抗疲劳设计的要点是合理选材，降低应力水平，避免和减缓应力集中，降低表面粗糙度、表面强化，以改善零部件表面的疲劳性能。

（3）针对当代桨毂变距操纵力矩大，容易引起地面行程检查飞行员操纵力过大，需要针对助力器前端的操纵线系和座舱操纵装置零部件开展疲劳设计的问题，也可以通過消除该低周疲劳载荷的影响来避免开展疲劳强度设计。建议在液压系统中增加电动液压泵作为地面操纵检查液压动力源，提供液压助力，消除旋翼桨毂操纵力矩对助力器前端的操纵线系和座舱操纵装置零部件的影响。这也可以降低飞行员在执行地面全行程操纵检查时所承担的操纵负荷，提高飞行员的操纵舒适性。

7结论

从贝尔505直升机总距杆杆体根部疲劳断裂适航指令事件可知，出现疲劳安全事件时，一方面需要从保证航空器持续适航角度，先发出紧急适航指令开展检查和更换，并限制运行状态，随后根据事件调查的进展，及时修订紧急适航指令，最后发布设计更改适航指令，确保航空器持续运行安全；另一方面，对于直升机飞行操纵系统助力器前端操纵线系和座舱操纵装置的零部件，需要避免仅采用静强度设计的惯性传统思维，需要特别注意识别是否存在新颖设计引起的低周疲劳危险的技术细节。这些细节可能是较大阻尼力、弹簧变形负载力、旋翼变距操纵弹性变形负载力等。低周疲劳载荷可能出现在飞行过程中，也有可能出现在地面运行检查过程中。针对识别出来的零部件，要开展相应低周疲劳强度设计，消除疲劳断裂隐患，确保飞行操纵系统零部件的疲劳安全，进而保障直升机的持续运行安全。

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Research on Fatigue Safety Airworthiness Directives of Bell 505 Helicopter’s Collective Stick

Chen Yujin，Li Hong，Li Baoliang

Jiangxi Aircraft Airworthiness Certification Center of CAAC，Nanchang 330200，China

Abstract： For the recent incident that Canadian civil aviation authority issued multiple emergency airworthiness directives against the break of Bell 505 helicopter’s collective stick， this paper analyzes the design features of the flight control system， hydraulic system and rotor system of the aircraft， and summarizes the characteristics of the collective pitch control force in the ground full control movement inspection. At the same time， the development history of this series of emergency airworthiness directives and the reasons for the fatigue fracture of the collective stick are analyzed. The relevant suggestions for the issuance of the fatigue safety airworthiness directives and the fatigue safety design of the control route lines and inceptors of the helicopter flight control system are given. It is necessary to pay attention to the none flight fatigue load factors produced in the process of ground maintenance and inspection. The review results of the above-mentioned emergency airworthiness directive events can be used in the promulgation of emergency airworthiness directive and to identify and deal with the safety risks in airworthiness certifications.

Key Words： airworthiness directive； helicopter； flight control； collective stick； fatigue fracture