基于轻型直升机加装导航定位天线的改装设计与在电力巡检作业中的应用

程昱 闫建奎 李瑞友 张庆

国网通用航空有限公司 北京 102209

引言

电力巡检和作业对于维护电网稳定安全具有重要作用，相较于传统电力巡检和作业手段，直升机电力巡检作业具有效率高、响应快速和适用性广泛的优势，可满足地形复杂地区的电力作业需求[1]。随着直升机电力作业应用的发展，高精度巡检设备在直升机电力作业中得到了广泛的应用。为满足巡检设备在激光扫描和巡线工作中对地理位置信号数据的高精度需求，同时回避直升机主旋翼旋转带来的GNSS信号干扰，需要在直升机机头上部加装用于巡检设备数据采集的GNSS天线。本文从实际应用中的改装需求入手，结合航空器加改装相关法律法规，确定加装的审定基础和符合性验证方法，进而开展加装设计论证与应用施工工作。

1 基于AS350B3直升机第二套GNSS天线的改装设计

1.1 改装需求

AS350B3航空器为法国空客直升机公司生产的轻型单发直升机，最大起飞重量2370kg，安装发动机类型Arriel 2D engine，3片主旋翼，2片尾桨，机体金属硬壳式构造，滑橇式起落架，全球交付使用5000余架，广泛用于空中作业、短途运输、应急救援等任务场景[2]。

为满足航检设备在激光扫描和巡检工作中对地理位置信号数据的精度要求，在AS350B3型直升机客舱顶篷外部加装一部独立的GNSS信号接收天线（在接收GNSS天线的同时接收GLONASS和北斗信号，称为GNSS天线），通过接收卫星信号，经过后续处理获取天线空间精确位置，天线直接连接到航检设备上，由航检设备为其供电，并为航检设备提供地理位置信号，方便后续直升机航巡、激光扫描、科学研究等航空电力作业业务开展。

根据GNSS天线工作原理和设备作业需求，对安装要求主要包括：①天线安装牢固，与机身刚性连接，作业时尽量不要相对机身抖动。②天线必须安装在直升机上表面，上方不能有永久遮挡并尽量避免侧方遮挡。（如果没有合适地方，安装位置可位于旋翼下方，但应尽量远离直升机旋翼轴）。③尽量减少直升机电磁系统与天线安装在一块，以免影响GNSS信号接收。④GNSS线缆需要连接至挂点设备或机舱内操作设备，线缆最好能够走直升机内部。

1.2 改装方案

拟装机的GNSS天线型号为Trimble-AV39，该天线具有FAA的TSO认证，并通过DO-160E环境测试，该天线只具有接收功能，无发射功能，不会对已装机的无线电设备造成影响。

从信号接收质量来看，直升机垂尾上部为信号最好的位置，但目前AS350B3机型已经在尾部安装有直升机机载设备使用的GNSS天线，因此，综合考量信号质量、布线施工难度和直升机结构特点，将第二套天线选择安装在驾驶舱右侧顶篷处。

在驾驶舱右侧顶篷开安装孔用于GNSS天线的固定安装，顶篷内部进行线路施工，将GNSS同轴线缆沿顶篷向后在7°格框处向下，在预留的插头处结尾，预留插头由支架固定在7°框隔板处，如图 1所示。

图1 GNSS天线安装图

1.3 强度计算

依据CCAR-27R2，支承结构必须设计成在规定的任一极限惯性载荷下，能约束住那些在机组舱和旅客舱上部和/或后部的、在应急着陆时松脱后可能伤害乘员的任何质量项目，因此将计算分为5种工况，如表 1所示。

表1 载荷计算工况

旋翼航空器必须设计成能承受包括悬停在内的每个临界空速下由9.14m/s的垂直突风产生的载荷，AS350B3机型极限速度为287km/h，天线迎风和侧风面积如图 2所示。各部件重量及紧固件强度如表 2所示。有此可算出：

表2 各部件及紧固件数据

图2 天线迎风面积

气动载荷Fa=1/2CDρ(1.1VNE)2S1× Safety factor=30.8N

突风载荷Fg= = 1/2CDρV2S2 × Safety factor= 0.4 N

正突风载荷和应急着陆极限载荷取大值，气动载荷和应急着陆极限载荷取大值，进而可得各个工况下的载荷，如表 3所示。

表3 各工况下的载荷

综上，GNSS天线的重量较轻，其固定螺栓的强度（NAS514P1032: Ptu= 11075.5N, Psu= 6627.5 N）满足施加在螺栓上的载荷的强度要求。该顶篷由加强件（C2024-T3: Ftu=406.8 MPa, Fsu= 255.1MPa）进行了加固。因此，顶篷的强度符合安装要求。

2 审定基础及符合性验证方法

2.1 法规依据

根据现行的民航法规及其规范性文件，针对轻型旋翼航空器，符合中国民用航空局（CAAC）要求的改装途径主要包括[3]：①具有双边协议许可，向航空器生产制造厂家申请服务通告（Service Bulletin）进行改装；②于设计大改，可以向适航当局申请补充型号合格证（STC）；③对于已有国外适航当局颁发的补充型号合格证（STC）的改装，可以向中国民航局（CAAC）申请补充型号认可证（VSTC）；④对于已有国外适航当局颁发的补充型号合格证（STC）的改装，可以向中国民航局（CAAC）申请补充型号认可证（VSTC）；⑤对于通用航空企业所有或占有的航空器，在具备民航局要求的基本条件后，可以通过设计小改备案进行改装。

各类方法的对比分析如表4所示[4]。经过对改装方案的初步分析，本次对航空器重量、平衡、结构强度、可靠性、使用特性及适航性没有重大影响，不涉及航空器声学更改、燃油排泄和排气排出物更改，根据CCAR21.93条判断此次更改为设计小改。综合考虑周期、成本等因素，选择通过设计小改备案的方式进行。

表4 各类改装方法分析对比

2.2 审定基础的确定

根据CCAR21.101条款判断，本次改装未改变直升机原有的总体构型或构造原理、不影响直升机在初始合格审定以及认可审定时曾采用的前提条件，可采用 AS350B3直升机符合的VTC版本中认可审定基础中的适用条款作为本次设计小改的审定基础。

本项目拟改装的AS350B3直升机符合CAAC型号认可数据单VTC0221A（R5, 2014年5月23日）[5]，其中采用的审定基础为FAR-27第1至第10修正案，而由于集成了mod. OP-3369，将其中的部分条款更新至了第40修正案；而当前有效的CCAR-27-R2[6]相当于FAR-27[7]第1至第40修正案。建议的审定基础为CCAR27.341、CCAR27.561(c)、CCAR27.1529。

2.3 符合性验证

适航符合性验证方法主要包括10类[8]，如表5所示。审查中根据适航条款的具体要求选取其中的一种或多种组合验证条款要求。

表5 符合性验证方法

本文审定过程中，通过比较分析各种符合性验证方法的适用范围及使用方法，并结合GNSS天线改装涉及直升机的气动载荷、安装强度等主要问题，最终选用MC1（说明性文件）和MC2（分析/ 计算）符合性验证方法。CCAR27.341、27.561等条款采用MC2（分析/ 计算）符合性验证方法，27.1529条款采用MC1（说明性文件）符合性验证方法。

3 改装实施与应用

在拟装机位置按照尺寸画线并使用规定直径的开孔器开孔，以固定天线和天线加强板。在GNSS天线安装位置对机体打磨直至露出金属表面，均匀涂抹较薄的导电膏。安装完成后应进行GNSS天线搭铁测试，确认壳体接地良好。在舱内安装固定电缆的安装支架，以固定同轴电缆在舱内的走线。施工完成后如图 3所示。

图3 施工完成图

加装GNSS天线后，应按照飞行手册对飞机重心位置进行计算，更新称重记录单。连接机载设备，地面进行功能测试。检查天线系统，保证其他电气系统与之不相互干扰。

4 结束语

基于AS350B3型直升机GNSS天线改装完成后，有效解决了航检设备对地理位置和信号数据的高精度要求，经多次地面及飞行试验，安装结构牢固，线缆连接可靠，信号采集精度高，未出现影响飞行安全的问题，目前已在9架AS350B3型直升机上得到实施应用，进一步拓宽直升机作业在电力巡检中的应用范围，为直升机搭载高精度、多元化作业设备提供了简易可靠的解决方案。