直升机应急漂浮系统空中充气的适航验证和考虑

李卉敏,胡孟军

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

目前，民用直升机广泛运用于海上运输、石油勘探、海上搜救等领域，由于在水面上活动时间增多、飞行时间增长，在水面上发生故障的可能性也会增大。根据中国民用航空局要求，海面上活动的直升机需具备符合适航条款的海上救生方式，其中最常用的是给直升机加装应急漂浮系统——直升机在水上迫降时，完成空中充气后的应急漂浮系统可维持直升机漂浮一定时间，从而为机组及乘员的撤离创造条件。

直升机加装应急漂浮系统会对其整机气动外形产生较大影响，而应急漂浮系统能否在飞行中正常充气投入使用是直升机完成水上紧急迫降的关键问题。对此，本文以国内首次成功进行应急漂浮系统空中充气验证试飞的AC313型直升机为例，讨论直升机加装应急漂浮系统后，通过试飞(MC6)验证其空中充气状态适航符合性的方法和思路。

1 试验对象

AC313直升机是航空工业研制生产的中型多用途民用直升机，于2012年取得型号合格证，最大起飞重量为13000 kg。根据市场客户需求，AC313直升机取证后开展了加装应急漂浮系统设计更改及取证工作。

AC313直升机加装的应急漂浮系统由4个浮筒、充气系统和相关组件组成。2个前部浮筒组件安装在前机身2-4框蒙皮外侧，左右对称； 2个后部浮筒组件安装在短翼外部，左右对称；每个浮筒使用各自对应的气瓶进行充气。浮筒组件展开后的外形如图1所示。浮筒提供的浮力与直升机固有浮力共同保证最大起飞重量为13000 kg的AC313型机能够平稳地在水面上漂浮直至机上所有乘员安全逃生(5级海情时应能够在水面上稳定漂浮10 min，为机上所有人员撤离创造条件)。

图1 AC313直升机加装的应急漂浮(浮筒充气)照片

浮筒组件平时为折叠真空包装，安装于浮筒容器内。浮筒容器表面设有封闭的盖子，用于保护内部的浮筒；浮筒充气后，会将约束其外形的绳带以及盖子涨开，完成整个充气打开动作。在飞行中或水上应急迫降期间充气的启动方法有两种，分别为飞行中手动打开充气和水浸探测开关被浸没后自动触发充气。

2 适航验证思路

直升机加装应急漂浮系统后，对原有飞行包线适航性的影响阶段包括浮筒关闭状态的飞行、浮筒空中充气、浮筒打开后的飞行以及应急着水共4个阶段。其中，应急着水的实际演示风险及成本都过高，不适宜使用飞行试验来表明适航符合性，推荐使用直升机缩比模型入水试验结合仿真分析的方法验证入水时的最佳姿态和着水载荷，故不在本文讨论范围之内。由于应急漂浮系统浮筒关闭状态和充气完成后状态的整机操纵性与机动性、纵向静稳定性及动稳定性验证方法较传统，本文仅针对国内首次开展的应急漂浮系统空中充气过程的适航性验证进行讨论。

针对空中充气试飞验证，CCAR-29部中相关的条款主要有B章飞行特性、F章设备和G章使用限制。下文将筛选出需验证条款，并给出所选择的试飞状态(重量、重心、速度等)。

2.1 飞行特性

为了验证在飞行限制速度内，浮筒能够正常充气展开，不会对飞行安全造成影响，需进行浮筒空中充气的飞行特性试飞，即验证对CCAR-29部中第29.141“飞行特性：总则”、29.143“操纵性与机动性”条款的符合性。验证内容包括：应急漂浮系统空中充气时的飞行特性，包括直升机姿态、速度响应，以及全机操纵性、飞行状态过渡安全性。

浮筒空中充气试飞验证之前在国内并未开展过，缺乏可借鉴经验，需对飞行速度、重量重心进行仔细筛选，才能在验证适航性的同时保证试飞安全。试验前，通过计算分析得出在飞行速度180 km/h之内进行空中充气带来的姿态、速度响应均在可接受的范围内，考虑到应急漂浮系统浮筒充气前飞速度限制需在最佳自转下滑速度附近方能符合飞行中应急使用程序，故选择进行140 km/h充气试验。

空中浮筒充气试验主要考核直升机纵向在浮筒充气带来的阻力和力矩激励下的俯仰角速度和姿态响应极值。重心向前偏移会增大初始低头姿态，进而增大俯仰姿态响应极值，而飞行重量增加则会增大直升机绕横轴的转动惯量，减小俯仰角加速度响应，继而减小俯仰姿态响应极值，故试飞状态选择中需要权衡重心影响和重量惯量影响。通过飞行特性计算分析，在140 km/h前飞时，10150 kg、前限重心状态直升机配平低头姿态较9040 kg、正常重心状态俯仰角低头增加2.6°。重量重心从9040 kg、正常重心变更至10150 kg、前限重心状态后,俯仰通道绕横轴转动惯量增大7.5%。在同样的应急漂浮系统浮筒充气打开气动力作用下，两者的直升机俯仰低头响应量值在初始4 s内非常接近。

两种状态响应计算结果对比曲线见图2。从图上可见，10150 kg、前限重心状态下进行应急漂浮系统浮筒展开试验时，俯仰姿态较9040 kg、正常重心时更大，即纵向操纵向前最大、俯仰角低头最多，故此时进行浮筒充气打开对飞行特性影响最严酷。因此，空中浮筒充气飞行特性验证科目选择采用10150 kg、前限重心状态进行。

图2 浮筒空中充气状态响应计算

2.2 空中充气功能

考核应急漂浮空中充气功能，验证CCAR-29部29.1301、29.1309条款，即浮筒能够正常充气展开，不会对飞行安全造成影响。

CCAR 29.1301、29.1309条款是关于旋翼航空器的设备及其功能和安装方面的通用条款，要求设备的设计和安装应保证在各种预期的工作条件下均能正常工作，按规定的限制安装设备并应保证装机后功能正常。

飞行试验之前,通过地面充气试验验证应急漂浮系统的手动充气功能正常；结合地面充气试验过程中记录的充气过程，通过对作用在浮筒舱盖和浮筒上的水载荷和水压力的计算分析以及对直升机迫降着水过程的仿真分析，说明在直升机重量和周围水压影响下，入水后展开的浮筒能够在规定的时间内在水中正常充气展开，而不会导致直升机的倾覆。在开展分析说明、地面试验、仿真分析的前提下，进一步地进行空中充气打开试验，验证在规定的飞行限制速度内，浮筒能够正常充气展开，不会对飞行安全造成影响。

2.3 空中充气速度限制

应急漂浮系统的使用需确定应急漂浮系统待命状态最大飞行速度，即验证CCAR-29部29.1503“空速限制：总则”条款。飞行试验后应根据试飞数据和驾驶员驾驶品质评价确定应急漂浮系统空中充气时的飞行速度限制。

综上，直升机加装应急漂浮需空中充气飞行验证的适航条款及验证要素如表1所示。

表1 需验证的适航条款及验证要素

3 风险分析及控制

应急漂浮空中打开时，可能出现应急漂浮不对称充气，导致直升机操纵困难；浮筒舱盖在实施充气后脱离直升机，有撞击直升机的可能。因此,应急漂浮空中充气试飞为高风险科目。

试飞前可采取的降风险方法如下：

飞行试验之前通过地面充气试验，验证应急漂浮系统的手动充气功能、应急漂浮系统的充气时间能够满足要求，并验证4个浮筒可完成同时充气且不会出现不对称充气；

试飞前对应急漂浮系统实施地面通电检查合格，确保接线正确；

试飞前12小时完成气瓶充气，4个气瓶头部的压力表指示应在额定工作压力范围内；

试飞前详细检查浮筒盖子系留索的长度及绑扎方法是否正确；

试飞前试飞机组应训练自转程序；

试飞员应穿戴好头盔、防护服装；

试飞员试飞前与专业人员充分沟通，熟悉各种异常现象(浮筒明显抖动、个别浮筒未充气)的操纵要领；

试飞员熟悉飞行手册中发动机、尾桨失效和其他各系统故障应急程序。

4 验证试验实施情况

试验选取压力高度650 m，充气前直升机配平在指示空速138.5 km/h;按压充气按钮后，应急漂浮系统4个浮筒全部正常充气展开，直升机飞行速度开始减小，俯仰角出现低头，滚转角出现小幅振荡，偏航角基本不变。量值上，在应急漂浮系统充气展开至3 s末，指示空速减小至134 km/h，俯仰角低头达到-4.5°，滚转角在-0.4°～0.9°间振荡1.5个周期，驾驶杆纵向操纵略带后拉杆至53%，总距、驾驶杆横向、脚蹬操纵基本无变化。试飞数据测试结果见图3。

图3 空中140 km/h充气试飞测试数据

试飞结果表明，应急漂浮系统前飞充气功能正常，由于浮筒安装位置较低，前飞时应急漂浮系统空中充气对直升机带来低头力矩。通过选择小重量、前限重心临界状态进行前飞140 km/h时空中充气试验，验证了应急漂浮系统空中充气过程飞行姿态、速度响应较小，不需进行额外的操纵修正，不需要特殊驾驶技巧即可安全地过渡到稳定飞行状态，满足CCAR-29部中第29.141条、第29.143条款要求。根据试飞结果，可制订应急漂浮系统空中充气速度限制140 km/h，满足第29.1503条款要求。在140 km/h飞行限制速度内，浮筒能够正常充气展开，不会对飞行安全造成影响，满足第29.1301、29.1309条款要求。

5 结论

本文通过对民用直升机应急漂浮系统适航取证的思考，归纳出应急漂浮空中充气需考虑的试飞验证条款范围，得出了验证其飞行特性和功能等适航条款的普遍方法。本文所述国内首次对浮筒空中充气的试验设计和成功验证，对今后民用直升机增加海上救生方式的适航取证具有重要借鉴意义。