运输类直升机A类起飞着陆过程中基于OEI训练模式的试飞方法研究

■ 胡士媛 邱良军/江西航空器适航审定中心 中国直升机设计研究所

0 概述

运输类直升机按CCAR29部中A类条款要求进行适航取证，是对旋翼类航空器最为严格的条款。这类旋翼航空器必须按一台发动机失效（One Engine Inoperative，OEI）时在飞行包线上的任一点（包括在起飞或着陆飞行中）考虑适宜的场地来保证安全起降。在进行A类起飞着陆的验证试飞过程中，发动机需反复进入2.5min OEI状态，大大缩短了发动机的使用寿命，严重制约了条款符合性验证试飞的进度，也给试飞带来了重大的经济压力。

通过采用OEI训练模式进行A类起飞着陆的试飞验证，既能验证A类起飞着陆试飞验证数据的有效性，又能更好地延长发动机的使用寿命和保证直升机的飞行安全，满足运输类直升机适航审定验证的要求，同时符合民用直升机经济性的设计理念。

该试飞验证方法已在国内直升机飞行验证中得到大面积推广。

1 条款解读和研究

1.1 直升机A类起飞着陆飞行流程研究

随着对直升机飞行安全技术研究的逐步深入，根据民航法规CCAR29 B章的规定，民用大型运输类直升机起飞着陆的试飞方法可分为两类：一类为A类起飞着陆飞行，一类为B类起飞着陆飞行。其中，A类起飞着陆飞行是指直升机在起飞或着陆过程中发动机单发停车情况下也能确保安全的一种飞行规范，B类起飞着陆飞行是一种传统的、常规的飞行规范。可见，A类起飞的飞行复杂难度、对直升机的设计要求和对飞行员的反应要求均比B类更严格。通过对CCAR29 B分部条款的研究，必须严格制定出相对安全的A类起飞着陆飞行流程。

直升机起飞过程中，需要保证飞行通道是安全的，也就是说起飞轨迹要避开回避区并始终与回避区保持一定的间隙，间隙范围不小于5节。典型的A类起飞从悬停开始，如果到临界决断点（空速和高度的最小能量组合）之前一台发动机失效，直升机必须放弃起飞安全着陆；如在临界决断点之后一台发动机失效，在保证有继续安全爬升能力的条件下，直升机继续加速至离起飞场地上空至少10.5m处，并获得起飞安全速度和一定的爬升速率，以起飞安全速度继续爬升，达到起飞场地上空60m，再从安全速度加速到最佳爬升率，爬升至起飞机场上空300m。

简言之，A类着陆飞行如在着陆决断点或之前有一台发动机失效，飞行员可选择着陆或中断；如在着陆决断点之后有一台发动机失效，必须要求着陆，同时确定着陆决断点和着陆进场轨迹完全避开回避区。A类起飞着陆的飞行轨迹如图1所示。

1.2 发动机OEI状态变化情况研究

通过对CCAR29部B章飞行条款进行研究，运输类直升机在A类起飞着陆和高度—速度包线（回避区）验证试飞过程中有一台发动机失效的情况下，发动机自动进入2.5min OEI功率状态，如图2所示。OEI状态在以下几个关键参数中反映：总扭矩的恢复延迟时间、总扭矩的下探深度和恢复稳定后的总扭矩限制。

图1 A类起飞着陆飞行轨迹示意图

图2 发动机OEI状态变化历程示意图

2 OEI训练模式与OEI真实状态的对比方法

OEI训练模式是直升机进入单发失效时，全发工作状态下通过电调控制模式来模拟单发失效过程的输出功率和变化情况，以达到模拟单发失效的整个飞行历程。训练模式下，恢复稳定后的总扭矩限制为当前高度和温度下单发失效后剩余发动机最低保证性能扣除安装损失后的总扭矩，如果该总扭矩大于传动系统单发失效状态的扭矩限制，则限制为传动系统OEI状态扭矩限制，其中发动机最低保证性能可由发动机电调内置的发动机性能计算程序计算得到。

要在A类起飞着陆试飞中使用OEI训练模式，首先需要表明OEI训练模式的发动机动态特性比OEI真实状态保守，为此要对OEI训练模式的发动机动态特性进行比较试飞。

OEI真实状态试飞方法：在目标机场的低空安全高度下，以小重量和Vy速度稳定平飞，飞行员将关键发动机置为“地面慢车”状态，另一台发动机为OEI CT模式，然后记录直升机的扭矩和旋翼转速随时间变化曲线，飞行员在发动机“地面慢车”状态1s后才能开始操纵直升机保持其稳定飞行。

OEI训练模式试飞方法：在目标机场相同的低空安全高度下，以小重量和Vy速度稳定平飞，飞行员将发动机置为训练状态，并处于OEI CT模式，然后记录直升机的扭矩和旋翼转速随时间变化曲线，飞行员在发动机“地面慢车”状态1s后才能开始操纵直升机保持其稳定飞行。

OEI训练模式比OEI真实状态保守的判据：训练模式的总扭矩曲线下探大于OEI真实状态，训练模式的旋翼转速曲线下探大于OEI真实状态，且恢复慢于OEI真实状态，则可认为OEI训练模式比OEI真实状态保守，如图3所示。

3 基于训练模式的A类试飞方法安全性分析

3.1 训练模式的A类试验方法安全分析原理

以起飞为样例对采用训练模式的A类试飞方法的飞行原理、飞行关键点和飞行流程进行具体分析。

为了保证A类起飞的安全性，基于以上对相应条款和发动机可用功率的分析，梳理出A类起飞过程中出现的安全影响要素，并对其中各要素中采用的OEI模拟和OEI真实情况进行差异对比（见图4），证明采用OEI模拟飞行得出的试验结果更安全可靠。

试飞验证方法分析：A类无障碍机场起飞着陆试飞的主要目的是确定A类起飞的决断点、安全速度、最大起飞重量和起飞距离，并通过演示验证表明制定的起飞程序合理可行。其中，起飞决断点和起飞程序将参考国外直升机的试飞统计结果确定，A类最大起飞重量将根据CCAR29.67中的规定通过试飞并结合计算得到，并在调整试飞中进行摸底试飞，确定在A类最大起飞重量下起飞决断点和起飞程序的适用性。

图3 OEI训练模式比OEI真实状态保守的判据示意图

图4 A类起飞安全要素分解图

因此，A类起飞试飞中主要是确定起飞重量、起飞距离以及起飞程序受到的训练模式影响。根据AC29.51《起飞数据：总则》的b.（2），决定起飞性能的主要因素是剩余可用功率，剩余可用功率是指直升机在地面上方参考高度悬停所需功率与满足发动机最低保证性能的可用功率之差，剩余功率最小的状态是该密度高度下的最严酷状态。所以，可以将起飞着陆距离的影响因素分为需用功率和可用功率两个部分进行对比分析。对于可用功率，根据AC29.59起飞距离b.（7）功率和AC29.75着陆（C）（iii），发动机功率限制除密度高度影响外，还需要考虑温度的影响。可以采用无地效悬停需用功率作为需用功率特征值，随密度高度变化进行换算。如此，对于给定的试验密度高度，对整个温度包线进行扫描，可以得到剩余功率最小的温度点。将发动机最大输出功率限制为该温度点的最低保证功率（考虑安装损失），并选取该设计点的A类起飞重量进行A类试飞，则试飞状态的剩余功率是该密度高度下最小的，也是该密度高度下最严酷的，得到的起飞距离是在该试飞密度高度下最保守的，起飞程序的发动机失效后过渡过程也是最保守的，并且起飞着陆距离只随密度高度变化，可使用密度高度对起飞距离进行规定密度高度范围内的内插和外推。

3.2 训练模式的A类试验方法历程安全性分析

训练模式试飞方法：由于试飞现场的压力高度和大气温度是无法改变的，根据AC29.51《起飞数据：总则》的b.（2），决定起飞性能的主要因素是剩余可用功率，所以需要通过调整起飞重量或者发动机最大功率限制来保持剩余可用功率目标值，完成A类起飞试飞。

例如，目标试飞机场预期压力高度1900m，大气温度20℃（即ISA+17℃），对应密度高度为2500m。此时可选择增大起飞重量或降低发动机最大功率限制两种方法完成A类起飞试飞。

对于该密度高度，假设剩余可用功率最小点出现在常温0℃（即ISA状态），根据AC29.51中对剩余可用功率的定义（剩余可用功率＝无地效悬停功率-2.5min OEI应急可用功率），假设求得A类起飞重量6324kg（根据CCAR29.67 爬升：一台发动机不工作），无地效悬停需用功率1435kW，2.5min OEI可用功率为994kW，可算得剩余可用功率为441kW。

1）增大起飞重量方法

对于试验现场（密度高度1900m，大气温度20℃），2.5min OEI可用功率为1016kW（带安装损失）。通过增加起飞重量来保持剩余可用功率最小，这样所演示的起飞程序过渡性能足够保守，起飞距离足够保守，满足安全性要求。

2）降低发动机功率限制方法

对于试验现场（密度高度1900m，大气温度20℃），A类起飞重量为6387kg，对应无地效悬停需用功率为1453kW。通过降低发动机功率达到保持剩余可用功率最小，这样演示的起飞程序过渡性能足够保守，起飞距离足够保守，满足安全性要求。

3.3 小结

上述分析表明，采用以试飞验证来表明动态特性的训练模式进行A类无障碍机场起飞试飞，可获得比OEI真实状态保守的飞行性能，从而可以减少发动机的损耗，降低试飞成本和周期风险。

4 结束语

本文总结了基于OEI训练模式的A类起飞着陆试飞方法，首先提出了一套OEI训练模式与OEI真实状态的比较方法，确定了OEI训练模式比OEI真实状态保守的判定准则；然后基于CCAR29部咨询通告中关于A类起飞着陆试飞方法的要求，提出了一套基于OEI训练模式的A类起飞着陆试飞方法，示例演示表明，该试飞方法演示的起飞着陆程序过渡性能足够保守，起飞着陆距离足够保守，满足适航符合性验证的安全性要求。