某型直升机灭火器改装技术研究

■ 胡凌霄 张一夫 唐凯川/中国民用航空飞行学院新津分院

哈龙1211 灭火剂在民用航空器手提式灭火器中广泛使用，其灭火效率高、无残留、无腐蚀。但因其具有高的ODP值（臭氧破坏潜能值）和GWP 值（温室效应潜能值），各国民航组织和国际机构陆续开始限制其在民用飞机上的使用。联合国《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》第八版附录A 中，将哈龙1211、哈龙1301 和哈龙2402 列为限制使用的灭火剂。中国民航局于2018年9 月17 日发布《“打赢蓝天保卫战三年行动计划”工作方案》，并在2021年11 月25 日颁发适航指令《CAD2021-MULT-80 航空器手提式灭火器使用替代哈龙的灭火剂》，该指令要求2018年12 月31 日后向中国民航局申请国籍登记并首次申请中国民航局适航证的航空器，其配置的手提式气体灭火器所使用的灭火剂必须是符合《国际民用航空公约》附件6 相关要求的新型灭火剂，包含但不限于2-溴-3，3，3-三氟丙烯（2-BTP）。

我院某型直升机随机装配AW003ZE02型手提式灭火器，使用的是哈龙1211 灭火剂，受CAD2021-MULT-80 影响须进行更换。中国民用航空局第二研究所研制的CASRI-3303 系列新型环保灭火器采用的是2-溴-3，3，3-三氟丙烯（2-BTP）灭火剂，已于2018 年11 月8 日取得民航局批准。经研究并经中国民用航空局第二研究所确认，CASRI-3303-04型灭火器符合该型直升机灭火器更换要求。

1 灭火器改装的设计原则和思路

1.1 灭火器的替代性

2-BTP 灭火效率高，不污染环境，是哈龙1211 灭火剂良好的替代品，从表1 可以看出，2-BTP 的OPD值、GWP 值、ALT 明 显 优 于 哈 龙1211。

表1 2-BTP与哈龙1211灭火剂的环保性对比

新型灭火器由中国民航局第二研究所研制，采用2-BTP 灭火剂，其中CASRI-3303-04 或CASRI-3303-05型均可替代原灭火器。其中，CASRI-3303-04 型灭火器与原灭火器高度相近，更符合安装要求。

新型灭火剂灌装1kg 的2-BTP 气体灭火剂，比原灭火剂重0.3kg，满足灭火要求。

新型灭火器在国内灌装并完成水压测试，后续保障条件充足。

改装新型灭火器所需航材均有中国民用航空总局发布的批准放行证书，获得渠道畅通和便捷。

本改装为非重要系统的微小改装，灭火器操作使用方式未改变，且新型灭火器为表盘式，便于检查。

1.2 改装对直升机结构重量和气动外形的影响

1）安装方式：新型灭火器采用原位安装，使用原灭火器底座，螺栓和托板螺帽采用原装支架螺栓和托板螺帽，紧固方式未改变。托板螺帽通过铆钉与底座连接，螺栓与托板螺帽紧密配合，掉落风险低。

2）静力试验：拟安装的CASRI-3303-04 灭火器及支架重量合计为1.957kg，采用静力加载试验进行模拟试验。对灭火器及支架上、下、侧面、前、后分别进行加载试验，保持载荷时长3s，结构没有产生损伤和永久变形。

改装的新型灭火器及支架比原灭火器及支架的重量仅增加0.449kg，改装涉及的零部件重量对直升机总重量、重心产生的影响轻微，可忽略不计。改装部位在直升机座舱内，采用原位安装，对直升机气动外形无影响。

1.3 改装对应急使用灭火器和飞行操纵的影响

新型灭火器支架安装位置和固定方式未改变，改装的新型灭火器比原灭火器短9mm，直径小4mm，空间有富余。不影响机组人员对灭火器的应急获取和使用，也不会影响机组人员的飞行操作及座椅调节。

2 灭火器改装的结构强度分析

本次改装仅仅是原位更换灭火器及支架，不会改变原结构的安装位置和受力方式。

按照CCAR-27 第C 章的强度要求中第27.303 条内容，除非另有规定，外部载荷和惯性载荷的安全系数必须取1.5。同时，根据CCAR-27第27.301条“载荷”（a）条款“强度的要求用限制载荷（使用中预期的最大载荷）和极限载荷（限制载荷乘以规定的安全系数）来规定，除非另有说明，所规定的载荷均为限制载荷”可知，规章中所述的极限载荷均已将安全系数计算在内。

2.1 灭火器及支架静力试验

根据CCAR-27 第27.305 条（b）（1）中的要求，需要对直升机的结构进行静力试验。试验要求按表2 载荷进行静力试验，要求在3s 内不产生损伤和永久变形。表2 所列载荷系数符合CCAR-27 第27.561 条第（b）（3）款要求，所列载荷系数均为极限载荷系数。根据CCAR-27 第27.301 的规定，该极限载荷系数已涵盖了安全系数。

2.2 螺栓强度计算

灭火器及支架与底座之间使用螺栓固定。该部位螺栓为原装件，使用件号为MS27039-1-09 的螺栓进行连接固定。该螺栓为碳钢制件，直径为5/16in（1in=25.5mm），采用镀镉处理，其抗拉强度为125000psi。

由于在飞行过程中灭火器及支架并不会对螺栓施加冲击载荷，故按照静载荷进行强度校验。表2 所示为各个方向的测试载荷，该测试载荷中向上、向前、向后、向下以及侧向的载荷通过4 个螺栓传递至灭火器底座，所以对于螺栓的强度要求是能够承受表2 所示的所有静载荷。由于底座倾斜放置，相对水平地面呈33°夹角，因此计算各个受力方向相对于底座的最大正应力和切应力。其中，向前、向下、向上以及向后的载荷在螺栓内部产生正应力，向前、向后、侧向、向下以及向上的载荷在螺栓内部产生切应力。因此，只需要校验正应力最大的情况，即向下的静载荷的径向分力= 20G×cos33°，再校验切应力最大的情况，即向前的静载荷轴向分力=16G×cos33°。

表2 灭火器及支架测试载荷

依据北京航空航天大学出版社2005年版《机械设计基础下册》第25 章“强度和刚度设计基础”中关于强度校核计算的描述：为了保证零件具有适当的强度，避免工作过程中因强度不足而出现失效，需要判断危险截面处的最大应力（σ，m）小于或等于零件的许用应力（[σ]，[m]），强度条件为：

σ≤[σ]

m≤[m]

式中，σ为危险截面处的最大正应力，[σ]为材料的许用正应力；m为危险截面处的最大切应力，[m]为材料的许用切应力。

4 个螺栓承受的最大正应力为：

σ=F/S=F/（πR²）

式中，F为轴向的最大静载荷，S为螺栓横截面面积。由于4 个螺栓的受力情况相同，即最大静载荷平均分配到4 个螺栓上。

σ=32.878×2.2/[π×（10/32）×（10/32）×4]=58.9psi

螺栓的抗拉强度[σ]＝125000psi，因此σ≤[σ]，即螺栓的正应力测试载荷小于许用正应力。

螺栓的抗剪切强度数据不明，按照钢材许用切应力与许用正应力的关系[m]=0.6-0.8[σ]，换算后最小允许切应力为75000psi。

4 个螺栓能够承受的最大切应力为：

m=G/S=G/（πR²）

式中，G为螺栓的切向最大静载荷，S 为螺栓横截面面积。由于4 个螺栓的受力情况相同，即最大静载荷平均分配到4 个螺栓上。

m=26.302×2.2/[π×（10/32）×（10/32）×4]=47.1psi

螺栓的抗剪切强度[m]＝75000psi，因此m≤[m]，即螺栓的切应力测试载荷小于许用切应力。

以上验证表明， 使用件号为MS27039-1-09 的螺栓进行固定，能够满足灭火器及支架安装的强度要求。

3 灭火器改装的重量平衡分析

根据改装实施前空机重量和重心位置，以及改装设备的重量、安装站位，计算出改装后飞机的空机重量和重心位置，结合重量平衡记录单和重心包线图，检验改装后空机重量和相应的重心是否在限制范围内。

直升机空重为2065.3kg（减去发动机滑油并加上不可用燃油和不可用发动机滑油），纵向重心位置为3607mm，纵 向 力 矩 为7450316.5kg·mm， 横向重心位置为38mm，横向力矩为79425kg·mm。

改装实施后重量与力矩变化如表3所示，可见改装后直升机重心位置基本不变。本次改装对直升机重量、重心的影响可忽略不计。

表3 改装重量与力矩变化

4 灭火器改装的安装位置分析

灭火器支架及底座圆心位置如图1 所示。灭火器及支架原位安装在底座上，支架未预留安装孔。改装时钻取的螺栓安装孔直径5.0mm，托板螺帽安装铆钉孔直径2.9mm。在支架及底座相应位置选取4 个圆心，为支架及底座螺栓安装孔圆心，铆钉安装孔位于底座螺栓安装孔圆心左右水平线上6.5mm 处。此时，支架上部两个圆心距离最近水平边约14.5mm，距上边约44.2mm；支架下部两个圆心距离最近水平边约14.5mm，距下边约52.5mm。底座上部两个圆心距离最近水平边约20.0mm，距上边约10.5mm；底座下部两个圆心距离最近水平边约20.0mm，距下边约10.5mm。支架及底座所钻取的安装孔圆心位置均满足SRM 手册中孔距、边距大于2D=10.0mm 的要求。铆钉安装孔圆心距离最近水平边约13.5mm，距离最近垂直边约11.6mm，均满足SRM手册中孔距、边距大于2D=5.8mm 的要求。

图1 灭火器支架及底座圆心位置

5 结论

受CAD2021-MULT-80 影响，某型直升机须更换灭火器。本文对更换灭火器的可行性进行了分析。新型灭火器比含有哈龙1211 灭火剂的原灭火器更加环保，对该型直升机的结构、气动外形和应急使用影响轻微。从结构强度、重量平衡和安装位置来看，灭火器改装符合改装需要，不会对飞行安全造成影响，该型直升机灭火器改装满足适航规章的要求。