周 禹, 尹建峰，田 磊，劉 博

(1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 試飛員中心；陜西 西安 710089；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所，陜西 西安 710089)

0 引言

直升機(jī)外吊掛運(yùn)輸飛行是直升機(jī)的獨(dú)有運(yùn)輸方法，以其得天獨(dú)厚的飛行特點(diǎn)，可以不受當(dāng)?shù)亟煌顩r、地理?xiàng)l件的制約，在一般運(yùn)輸工具難以達(dá)到的地方迅速、高效地完成起降、裝卸貨物等任務(wù)，大大拓寬了運(yùn)輸范圍，從而加快工程進(jìn)度，減少用時(shí)，提高經(jīng)濟(jì)效率，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。外吊掛物的存在相當(dāng)于在原直升機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了吊掛物的剛體運(yùn)動(dòng)，吊索的彈性運(yùn)動(dòng)，以及吊掛物的氣動(dòng)特性。與無(wú)外吊掛物相比，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和飛行品質(zhì)，導(dǎo)致飛行速度和使用邊界均發(fā)生了變化。

本文針對(duì)懸停及側(cè)后飛科目，確定不同操縱響應(yīng)類型下電傳直升機(jī)-吊掛物組合構(gòu)型下懸停和側(cè)后飛的飛行限制條件，對(duì)每組動(dòng)作進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。同時(shí)分析動(dòng)作特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)防范措施，為后續(xù)直升機(jī)外吊掛試飛提供參考。

1 外吊掛飛行的特點(diǎn)

1.1 穩(wěn)定性、操縱性與機(jī)動(dòng)性

直升機(jī)穩(wěn)定性較飛機(jī)差，當(dāng)外掛負(fù)載時(shí)，受氣流、重心或操縱影響可能發(fā)生吊掛物旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)直升機(jī)不良響應(yīng)，危及飛行安全。

直升機(jī)帶吊掛物飛行時(shí)，吊掛物的慣性與阻尼等因素將減弱直升機(jī)的飛行狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡的改變能力，導(dǎo)致操縱性變差。

由于穩(wěn)定性、操縱性變差，機(jī)動(dòng)性同時(shí)也受到很大的限制。執(zhí)行外吊掛飛行任務(wù)時(shí)，變速飛行的加速度不能太大，轉(zhuǎn)彎坡度也不能過(guò)大，飛行員操縱動(dòng)作必須柔和。

1.2 吊掛負(fù)載重量與重心位置

吊掛負(fù)載的最大重量應(yīng)根據(jù)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的氣溫、氣壓、氣象條件與油量來(lái)確定，留出足夠的剩余功率，以應(yīng)對(duì)意外情況。外掛負(fù)載的作用線必須靠近或通過(guò)直升機(jī)重心，這就要考慮油量消耗導(dǎo)致的重心的變化，以免出現(xiàn)大的附加力矩引起操縱性、穩(wěn)定性的變化。

1.3 外掛物與吊索長(zhǎng)度

吊掛載荷盡量選擇球形、正方形或長(zhǎng)方形等規(guī)則形狀，并捆扎結(jié)實(shí)，不得有松弛或滑動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)理論計(jì)算和飛行實(shí)踐，吊索長(zhǎng)度應(yīng)滿足直升機(jī)-吊掛物間互相干擾的安全距離。同時(shí)也不能太長(zhǎng)，因?yàn)殇撍魈L(zhǎng)等于給外掛載荷提供了更多的力臂，使擺動(dòng)的外掛物作用到直升機(jī)機(jī)體的力矩增大，機(jī)體晃動(dòng)增大。

2 直升機(jī)外吊掛包線試飛方法

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)以某型直升機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)，該型機(jī)安裝有數(shù)字式電傳飛控系統(tǒng)，由控制計(jì)算機(jī)處理后再控制主、尾槳舵機(jī)和平衡舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，將指令傳遞到主、尾槳葉和平尾等操縱面，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的飛行狀態(tài)控制。

試驗(yàn)機(jī)配備的吊索長(zhǎng)度為6m，吊掛物采用方形集裝箱單點(diǎn)式吊掛。吊掛飛行重量狀態(tài)：外掛物重量分別選取1000、2000、3000kg，對(duì)應(yīng)載荷質(zhì)量比(ML/MTOTAL)分別為0.13、0.23、0.31。

2.2 試飛方法

直升機(jī)外吊掛作為直升機(jī)運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)方式，可以在多山地帶或植被茂密地區(qū)等其他交通工具難以到達(dá)的區(qū)域投放補(bǔ)給品，并能提升裝備，直接運(yùn)輸?shù)筋A(yù)定作戰(zhàn)地域，完成物資補(bǔ)充投放。直升機(jī)采用外吊掛運(yùn)輸飛行，主要依靠它們的懸停和側(cè)后飛能力。本文以懸停及低速狀態(tài)為主開展試飛方法的研究。

為明確不同響應(yīng)類型對(duì)外吊掛的影響，試驗(yàn)電傳飛控直升機(jī)采用兩組操縱響應(yīng)類型，A組設(shè)置為 RCAH、RCDH與RCHH響應(yīng)類型，B組設(shè)置為ACAH、RCDH與RCHH響應(yīng)類型，分別針對(duì)三種吊掛飛行狀態(tài)進(jìn)行懸停及側(cè)后飛科目試飛，確定直升機(jī)-吊掛物組合構(gòu)型下懸停及側(cè)后飛限制條件，對(duì)每個(gè)機(jī)動(dòng)動(dòng)作中直升機(jī)-吊掛物綜合系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行評(píng)定，給出庫(kù)珀-哈珀評(píng)分。

2.2.1 懸停及低速平飛

1) 懸停

① 直升機(jī)落在指定區(qū)域，由地面操縱員將貨物掛鉤與直升機(jī)連接好，得到指揮員指令后，操縱直升機(jī)垂直起飛至3m高度，平移至外掛物上方，垂直上升至貨物離地2m，緩慢提距至離地高度30m，穩(wěn)定懸停30s～60s；

② 以10km/h～20km/h的地速開始動(dòng)作平移至目標(biāo)點(diǎn)，懸停目標(biāo)點(diǎn)的方位相對(duì)于直升機(jī)機(jī)頭方向應(yīng)為45°左右；

③ 懸停目標(biāo)點(diǎn)是可重復(fù)試驗(yàn)的地面參照點(diǎn)，直升機(jī)的位置偏差是相對(duì)參照點(diǎn)測(cè)量的；

④ 地面軌跡應(yīng)使直升機(jī)到達(dá)懸停目標(biāo)點(diǎn)的上空。

2) 側(cè)后飛

① 直升機(jī)離地30m穩(wěn)定懸停，以地速20km/h、40km/h、Vgmax沿跑道中線進(jìn)行穩(wěn)定前飛、后飛、左側(cè)飛、右側(cè)飛，每個(gè)動(dòng)作保持1min；

② 動(dòng)作過(guò)程中，按要求保持直升機(jī)低速、高度、航向及飛行軌跡；

③ 直升機(jī)位置偏差是相對(duì)于跑道中線來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

每組動(dòng)作參照ADS-33E及CCAR-29，基于外吊掛任務(wù)使用要求，同時(shí)結(jié)合之前外吊掛飛行實(shí)踐，給出表1懸停及側(cè)后飛性能要求，飛行員參照該表給出庫(kù)珀-哈珀評(píng)分。

表1 懸停及側(cè)后飛性能要求

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)防范措施

1) 飛行試驗(yàn)采取循序漸進(jìn)的方式，吊掛飛行重量由小到大，飛行速度由低到高。

2) 試飛員需明確外吊掛飛行的各項(xiàng)限制及特情處置預(yù)案，得到每架次試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，認(rèn)真分析后再?zèng)Q定下一架次試飛方案。

3) 試驗(yàn)繩索較短，吊裝外掛物前需操縱直升機(jī)非?？拷浳锫涞兀枰M(jìn)行明確的機(jī)組分工：主駕駛員操縱直升機(jī)，副駕駛一側(cè)對(duì)向外掛物，聽副駕駛口令進(jìn)行平移直至落地，起飛過(guò)程同理。

4) 如果無(wú)線電高度表失效，需要觀察員(空中機(jī)械師)或地面指揮員對(duì)機(jī)組引導(dǎo)配合，使機(jī)組明確貨物離地高度，避免蹭地。

5) 吊掛物過(guò)度擺動(dòng)可能會(huì)引起直升機(jī)操縱難度增加及吊掛擺角超限。在飛行過(guò)程中由觀察員或機(jī)外監(jiān)控設(shè)備對(duì)外掛物擺動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控。為避免外掛物擺動(dòng)，改變直升機(jī)飛行狀態(tài)的操縱要緩慢。如果擺動(dòng)劇烈影響飛行安全，果斷進(jìn)行投放。

6) 吊掛物意外脫鉤有可能會(huì)危害地面人員安全，所以應(yīng)選擇草地或跑道進(jìn)行試驗(yàn)。脫鉤對(duì)直升機(jī)會(huì)造成垂向沖擊，使上升速度急劇增大，柔和下放總距即可，因?yàn)橥鈷熵?fù)載的作用線在重心附近，脫鉤引起的俯仰和滾轉(zhuǎn)力矩較小。

3 試飛結(jié)果分析

如圖1所示，懸停科目飛行員庫(kù)珀-哈珀評(píng)分都低于4，指標(biāo)都能進(jìn)入滿意性能，飛行員評(píng)分隨吊掛物質(zhì)量載荷比增加。懸停歷程曲線見圖2。為保持懸停位置精度，縱、橫向駕駛桿修正頻次與幅值隨載荷質(zhì)量比增加而增加?？v向修正幅值較大，耗費(fèi)駕駛員精力較多。

圖1 懸停科目飛行員庫(kù)珀-哈珀評(píng)分

圖2 外吊掛懸停時(shí)間歷程曲線

側(cè)后飛評(píng)分見表2，相同響應(yīng)類型下隨載荷質(zhì)量比的增加，駕駛員操縱負(fù)荷增加導(dǎo)致評(píng)分增加。外吊掛重量3000kg時(shí)，直升機(jī)剩余功率小且低速飛行垂向振動(dòng)大；側(cè)后飛科目整體工作負(fù)荷較懸停略大，左右側(cè)飛速度包線存在一些特殊限制。

表2 側(cè)后飛飛行員庫(kù)珀-哈珀評(píng)分

分析原因：吊掛物重量越小，小的陣風(fēng)擾動(dòng)或操縱輸入就會(huì)引起其擺動(dòng)，但因慣性小對(duì)直升機(jī)姿態(tài)影響較小，且制止相對(duì)容易，操縱負(fù)荷較低。隨著載荷質(zhì)量比增加，雖然外掛物會(huì)較之前穩(wěn)定，但一旦外掛物開始擺動(dòng)，直升機(jī)姿態(tài)受影響增大，出現(xiàn)非指令的俯仰、橫滾或者是垂向運(yùn)動(dòng)。為了保持穩(wěn)定懸停，必須提高修正頻次和幅值，導(dǎo)致操縱負(fù)荷增加。而由兩組響應(yīng)類型的結(jié)果對(duì)比分析可以看出：響應(yīng)類型A相比響應(yīng)類型B的飛行員評(píng)分略低。主要原因是ACAH響應(yīng)類型下，直升機(jī)姿態(tài)響應(yīng)與駕駛操縱成比例關(guān)系，直升機(jī)姿態(tài)敏捷性高，直升機(jī)姿態(tài)響應(yīng)快。懸停及側(cè)后飛對(duì)駕駛桿的操縱穩(wěn)定性精度要求高，如果下意識(shí)跟隨姿態(tài)變化進(jìn)行修正，會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)姿態(tài)往復(fù)震蕩加大，而吊掛物跟隨直升機(jī)擺動(dòng)會(huì)加劇這一震蕩。駕駛員需要分配更多的精力用于懸停姿態(tài)保持，操縱負(fù)荷增加。

根據(jù)試飛結(jié)果，直升機(jī)外吊掛側(cè)后飛包線限制可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：直升機(jī)前、后飛包線速度主要受直升機(jī)穩(wěn)定性限制，在邊界速度時(shí)垂向篩動(dòng)明顯超出駕駛員可接受水平；左側(cè)飛包線速度受視野限制較大，主要原因?yàn)樵撔蜋C(jī)右座為主駕駛，動(dòng)作過(guò)程中視野受限較大，其次振動(dòng)限制也是一個(gè)因素；直升機(jī)右側(cè)飛包線速度主要受航向控制限制，隨右側(cè)飛速度增大，腳蹬操縱輸入量增加，尾槳需用功率增大，航向操縱余量不足，航向控制困難。如圖3所示，在右側(cè)飛過(guò)程中，因航向操縱余量限制，左腳蹬需較大操縱行程才勉強(qiáng)將航向保持，占用了駕駛員大量精力，而沒(méi)有兼顧到高度的變化，導(dǎo)致高度指標(biāo)沒(méi)有進(jìn)入滿意性能，駕駛員評(píng)分為4.4。

圖3 右側(cè)飛時(shí)間歷程曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

電傳直升機(jī)外吊掛飛行包線試驗(yàn)屬國(guó)內(nèi)首次，本文結(jié)合本次飛行試驗(yàn)，從試飛員的角度出發(fā)對(duì)直升機(jī)外吊掛的試飛技術(shù)及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究分析，可形成以下結(jié)論：

1) 給出了電傳直升機(jī)外吊掛飛行包線邊界試飛駕駛技術(shù)及判斷評(píng)價(jià)方法，為后續(xù)電傳直升機(jī)外吊掛飛行試驗(yàn)提供依據(jù)；

2) 通過(guò)飛行試驗(yàn)給出了不同載荷質(zhì)量比及響應(yīng)類型下外吊掛對(duì)直升機(jī)飛行品質(zhì)的影響，為電傳直升機(jī)外吊掛設(shè)計(jì)及理論分析提供了有力支持。