电传直升机外吊挂试飞方法研究

2020-06-17尹建峰

直升机技术 2020年2期

周禹, 尹建峰，田磊，刘博

(1.中国飞行试验研究院试飞员中心；陕西西安 710089；2.中国飞行试验研究院飞机所，陕西西安 710089)

0 引言

直升机外吊挂运输飞行是直升机的独有运输方法，以其得天独厚的飞行特点，可以不受当地交通状况、地理条件的制约，在一般运输工具难以达到的地方迅速、高效地完成起降、装卸货物等任务，大大拓宽了运输范围，从而加快工程进度，减少用时，提高经济效率，在各个领域发挥重要作用。外吊挂物的存在相当于在原直升机系统的基础上加入了吊挂物的刚体运动，吊索的弹性运动，以及吊挂物的气动特性。与无外吊挂物相比，降低了系统的稳定性和飞行品质，导致飞行速度和使用边界均发生了变化。

本文针对悬停及侧后飞科目，确定不同操纵响应类型下电传直升机-吊挂物组合构型下悬停和侧后飞的飞行限制条件，对每组动作进行等级评定。同时分析动作特点及风险防范措施，为后续直升机外吊挂试飞提供参考。

1 外吊挂飞行的特点

1.1 稳定性、操纵性与机动性

直升机稳定性较飞机差，当外挂负载时，受气流、重心或操纵影响可能发生吊挂物旋转、摆动，进而引发直升机不良响应，危及飞行安全。

直升机带吊挂物飞行时，吊挂物的惯性与阻尼等因素将减弱直升机的飞行状态与运动轨迹的改变能力，导致操纵性变差。

由于稳定性、操纵性变差，机动性同时也受到很大的限制。执行外吊挂飞行任务时，变速飞行的加速度不能太大，转弯坡度也不能过大，飞行员操纵动作必须柔和。

1.2 吊挂负载重量与重心位置

吊挂负载的最大重量应根据执行任务时的气温、气压、气象条件与油量来确定，留出足够的剩余功率，以应对意外情况。外挂负载的作用线必须靠近或通过直升机重心，这就要考虑油量消耗导致的重心的变化，以免出现大的附加力矩引起操纵性、稳定性的变化。

1.3 外挂物与吊索长度

吊挂载荷尽量选择球形、正方形或长方形等规则形状，并捆扎结实，不得有松弛或滑动现象。根据理论计算和飞行实践，吊索长度应满足直升机-吊挂物间互相干扰的安全距离。同时也不能太长，因为钢索太长等于给外挂载荷提供了更多的力臂，使摆动的外挂物作用到直升机机体的力矩增大，机体晃动增大。

2 直升机外吊挂包线试飞方法

2.1 试验对象

试验以某型直升机作为试验机，该型机安装有数字式电传飞控系统，由控制计算机处理后再控制主、尾桨舵机和平衡舵机运动，将指令传递到主、尾桨叶和平尾等操纵面，实现对直升机的飞行状态控制。

试验机配备的吊索长度为6m，吊挂物采用方形集装箱单点式吊挂。吊挂飞行重量状态：外挂物重量分别选取1000、2000、3000kg，对应载荷质量比(ML/MTOTAL)分别为0.13、0.23、0.31。

2.2 试飞方法

直升机外吊挂作为直升机运输的主要任务方式，可以在多山地带或植被茂密地区等其他交通工具难以到达的区域投放补给品，并能提升装备，直接运输到预定作战地域，完成物资补充投放。直升机采用外吊挂运输飞行，主要依靠它们的悬停和侧后飞能力。本文以悬停及低速状态为主开展试飞方法的研究。

为明确不同响应类型对外吊挂的影响，试验电传飞控直升机采用两组操纵响应类型，A组设置为 RCAH、RCDH与RCHH响应类型，B组设置为ACAH、RCDH与RCHH响应类型，分别针对三种吊挂飞行状态进行悬停及侧后飞科目试飞，确定直升机-吊挂物组合构型下悬停及侧后飞限制条件，对每个机动动作中直升机-吊挂物综合系统的响应进行评定，给出库珀-哈珀评分。

2.2.1 悬停及低速平飞

1) 悬停

① 直升机落在指定区域，由地面操纵员将货物挂钩与直升机连接好，得到指挥员指令后，操纵直升机垂直起飞至3m高度，平移至外挂物上方，垂直上升至货物离地2m，缓慢提距至离地高度30m，稳定悬停30s～60s；

② 以10km/h～20km/h的地速开始动作平移至目标点，悬停目标点的方位相对于直升机机头方向应为45°左右；

③ 悬停目标点是可重复试验的地面参照点，直升机的位置偏差是相对参照点测量的；

④ 地面轨迹应使直升机到达悬停目标点的上空。

2) 侧后飞

① 直升机离地30m稳定悬停，以地速20km/h、40km/h、Vgmax沿跑道中线进行稳定前飞、后飞、左侧飞、右侧飞，每个动作保持1min；

② 动作过程中，按要求保持直升机低速、高度、航向及飞行轨迹；

③ 直升机位置偏差是相对于跑道中线来进行测量。

每组动作参照ADS-33E及CCAR-29，基于外吊挂任务使用要求，同时结合之前外吊挂飞行实践，给出表1悬停及侧后飞性能要求，飞行员参照该表给出库珀-哈珀评分。

表1 悬停及侧后飞性能要求

2.2.2 风险防范措施

1) 飞行试验采取循序渐进的方式，吊挂飞行重量由小到大，飞行速度由低到高。

2) 试飞员需明确外吊挂飞行的各项限制及特情处置预案，得到每架次试验数据后，认真分析后再决定下一架次试飞方案。

3) 试验绳索较短，吊装外挂物前需操纵直升机非常靠近货物落地，需要进行明确的机组分工：主驾驶员操纵直升机，副驾驶一侧对向外挂物，听副驾驶口令进行平移直至落地，起飞过程同理。

4) 如果无线电高度表失效，需要观察员(空中机械师)或地面指挥员对机组引导配合，使机组明确货物离地高度，避免蹭地。

5) 吊挂物过度摆动可能会引起直升机操纵难度增加及吊挂摆角超限。在飞行过程中由观察员或机外监控设备对外挂物摆动情况进行监控。为避免外挂物摆动，改变直升机飞行状态的操纵要缓慢。如果摆动剧烈影响飞行安全，果断进行投放。

6) 吊挂物意外脱钩有可能会危害地面人员安全，所以应选择草地或跑道进行试验。脱钩对直升机会造成垂向冲击，使上升速度急剧增大，柔和下放总距即可，因为外挂负载的作用线在重心附近，脱钩引起的俯仰和滚转力矩较小。

3 试飞结果分析

如图1所示，悬停科目飞行员库珀-哈珀评分都低于4，指标都能进入满意性能，飞行员评分随吊挂物质量载荷比增加。悬停历程曲线见图2。为保持悬停位置精度，纵、横向驾驶杆修正频次与幅值随载荷质量比增加而增加。纵向修正幅值较大，耗费驾驶员精力较多。

图1 悬停科目飞行员库珀-哈珀评分

图2 外吊挂悬停时间历程曲线

侧后飞评分见表2，相同响应类型下随载荷质量比的增加，驾驶员操纵负荷增加导致评分增加。外吊挂重量3000kg时，直升机剩余功率小且低速飞行垂向振动大；侧后飞科目整体工作负荷较悬停略大，左右侧飞速度包线存在一些特殊限制。

表2 侧后飞飞行员库珀-哈珀评分

分析原因：吊挂物重量越小，小的阵风扰动或操纵输入就会引起其摆动，但因惯性小对直升机姿态影响较小，且制止相对容易，操纵负荷较低。随着载荷质量比增加，虽然外挂物会较之前稳定，但一旦外挂物开始摆动，直升机姿态受影响增大，出现非指令的俯仰、横滚或者是垂向运动。为了保持稳定悬停，必须提高修正频次和幅值，导致操纵负荷增加。而由两组响应类型的结果对比分析可以看出：响应类型A相比响应类型B的飞行员评分略低。主要原因是ACAH响应类型下，直升机姿态响应与驾驶操纵成比例关系，直升机姿态敏捷性高，直升机姿态响应快。悬停及侧后飞对驾驶杆的操纵稳定性精度要求高，如果下意识跟随姿态变化进行修正，会导致直升机姿态往复震荡加大，而吊挂物跟随直升机摆动会加剧这一震荡。驾驶员需要分配更多的精力用于悬停姿态保持，操纵负荷增加。

根据试飞结果，直升机外吊挂侧后飞包线限制可归结为以下几个方面：直升机前、后飞包线速度主要受直升机稳定性限制，在边界速度时垂向筛动明显超出驾驶员可接受水平；左侧飞包线速度受视野限制较大，主要原因为该型机右座为主驾驶，动作过程中视野受限较大，其次振动限制也是一个因素；直升机右侧飞包线速度主要受航向控制限制，随右侧飞速度增大，脚蹬操纵输入量增加，尾桨需用功率增大，航向操纵余量不足，航向控制困难。如图3所示，在右侧飞过程中，因航向操纵余量限制，左脚蹬需较大操纵行程才勉强将航向保持，占用了驾驶员大量精力，而没有兼顾到高度的变化，导致高度指标没有进入满意性能，驾驶员评分为4.4。