张志铭 邱良军

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000）

0.引言

在直升机性能试飞中，平飞占很大一部分比重，通过平飞试飞来得到平飞需用功率，从侧面验证最大爬升率和最佳下滑角对应的平飞速度。为得到全包线范围内不同重量、高度、温度处直升机不同速度平飞需用功率，由于温度无法控制，往往需要选取几组重量和高度组合进行试飞。国内普遍采用固定高度不同速度往返平飞的试飞方法，试飞过程中随着燃油的消耗实际重量逐渐降低，换算重量同样偏离初始换算重量。国外试飞一般给定不同换算重量进行试飞，在飞行过程中随着燃油重量的降低逐步提高飞行高度，保证换算重量不变。采用保持换算重量不变的试飞方法，一方面可以减少换算重量误差引入的修正量，另一方面可以减少客观因素如温度高度等对试飞工作的限制，提高试飞效率。下面来介绍具体的试飞方法。

1.试飞方法

对于固定的某一型直升机来说，无侧滑状态下平飞需用功率主要取决于平飞速度V、旋翼转速ω、升降速度、压力高度Hp、大气温度T以及实际重量W。压力高度和大气温度确定密度比σ，升降速度引起的功率差由修正公式给出，简化后的无量纲公式如下：

P/(σ＊ω3)=f(V,W/(σ＊ω2))

由公式可知，对于旋翼转速变化的直升机，换算重量取决于实际重量、旋翼转速和密度比。以某型机为例，旋翼转速取决于速度和密度比，在飞行过程中，速度是可以控制的，所以换算重量是由实际重量和密度比两个因素决定的。为了保证试飞过程中换算重量保持不变，实际重量减小时需要减小密度比，即随着燃油不断消耗需要提高飞行高度。在实际试飞中，可以给定实际重量和飞行高度；也可以直接给定换算重量和飞行高度，二者都需要在试飞中不断提高高度来保证换算重量不变。给定实际重量时，换算重量受飞行高度处密度比和飞行速度的影响；给定换算重量时，实际重量受飞行高度处密度比和飞行速度的影响，由于实际重量有重量限制，所以给定换算重量时还需要考虑重量限制[1]。例如，给定换算总量和密度高度时，不同密度高度对应的换算重量的范围是不一致的；而给定换算重量和压力高度时，需要根据当天的大气条件估算出目标高度的温度、旋翼转速，计算得到实际重量，此时换算重量范围由实际重量限制、温度、飞行速度共同决定。

总之，给定实际重量和换算重量的方法并没有本质区别，只是换算重量的范围是随实际重量限制、高度、温度变化的。给定实际重量和密度高度时，换算重量同样确定，且不用考虑超出实际重量的限制，这种方法使用起来更为方便。下面来介绍旋翼转速固定和旋翼转速变化不同情况下实际重量和飞行高度的关系。

1.1 旋翼转速固定

直升机旋翼转速固定时，换算重量的公式可以简化为：

此时换算重量只与密度比相关。给定密度高度Hd后，求得密度比σ1，即可根据实际重量算出换算重量。由于飞行中使用的是压力高度，还需要根据当天的温度将密度高度转化为压力高度。对于给定的换算重量，忽略高度提升带来的温度变化的影响，燃油消耗与提升高度呈线性关系。

已知密度高度Hd（m），温度T0（℃），直升机固定重量W0（kg），燃油重量Wf0（kg），计算过程如下：

通过以上公式求解即可得出燃油重量与压力高度的关系：

需要注意的是计算过程中假设T0不变，试飞结果表明在压力高度变化较小时，该假设是合理的，换算重量可以较好的保持在一定范围。以实际重量6500kg、密度高度5000ft为例，即可给出气压高度随燃油消耗的变化示意图如图1所示，方便试飞过程中查找。

图1 旋翼转速固定时气压高度随燃油重量变化曲线

在近地面平飞时，无法直接给定密度高度，一般给定离地高度，此时需要给定换算重量，通过当天的地面温度估算飞行高度处的密度比求得大致实际重量，此时换算重量的范围和当地温度相关，换算重量为小重量时，需要密度比较大时实际重量才会不超过限制范围，即需要较低的大气温度。由于气压高度与大气温度无法确定，初始高度和初始实际重量都需要飞行员给出，此时不能通过查表得到压力高度随燃油重量的变化曲线[2]。

1.2 旋翼转速变化

直升机旋翼转速变化时，不能再用上述曲线图来确定目标压力高度，旋翼转速受速度、密度比的影响。计算方法如下：

已知密度高度Hd（m），温度T0（℃），直升机固定重量 W0（kg），燃油重量 Wf0（kg），飞行速度 V0（kt），

对于不同速度和不同燃油重量，即可通过迭代求解得出对应的密度比，再求得压力高度。旋翼转速变化时，燃油重量与压力高度不再是线性关系了。由公式可知，实际重量减小时为保持换算重量不变，σ0＊ω02的值需要减小，但是密度比减小会导致旋翼转速的增加，使得需要更小的密度比才能保持换算重量不变，即与旋翼转速固定时相比，同样的燃油消耗变转速的直升机需要提高更高的高度来保持换算重量不变。此时T0不变得假设会带来较大得误差，还需要引入高度温度的关系式如下：

该公式成立是基于满足标准大气条件的，即高度每升高1000m，大气温度降低6.5°。但很多时候大气温度变化变化与标准大气有所偏差。所以对于变旋翼转速得直升机，在地面无法准确的预估压力高度随燃油消耗的变化曲线。例如当离地600ft平飞时，旋翼转速由100%逐渐增加到105%，压力高度增加了4000ft，若以温度T0保持不变来进行计算会带来很大的误差。试飞中可以采用手持的电子设备根据温度来实时进行计算，在这种情况下保持换算重量不变的试飞方法较为烦琐。

2.试飞结果

对比7500kg、离地高度600ft往返平飞与保持换算重量不变两种试飞方法的结果，不同速度点处换算重量如图2所示，两种方法得到的换算需用功率与真空速的曲线有所差别，保持换算重量的方法可以减少因重量变化引入的修正量，提高试飞数据的精度。

图2 离地600ft 7500kg两种试飞方法的结果

3.总结

保持换算重量不变，需要在飞行不断根据重量变化提高飞行高度，所以对直升机的重量计算以及高度指示有较高的需求，直接影响到换算重量计算的准确。在实际试飞中，受飞行姿态等的影响燃油重量测量可能会出现误差，对换算重量的计算造成影响。此外，飞行过程中需要不断提高飞行高度，温度的估算可能并不准确，同样会带来一定的的误差。如果给定换算重量，还需要根据目标高度和温度确定实际重量，这部分估算同样会带来误差，想要保持换算总重量在一定的范围内，需要在试飞前进行充分的准备工作。与传统方法相比，给定换算重量、在试飞中保持换算重量不变的方法可以减少因换算重量偏离目标点引入的修正量，从而提高试飞的精度。虽然较传统方法较为复杂，需要根据当天的温度调整直升机重量、燃油消耗与压力高度关系图，试飞前的准备工作较为繁琐，增加了飞行员的操作量，但从优化试飞效率、提高试飞数据精度来看，这种方法仍然值得采用。