民用直升機(jī)外吊掛適航技術(shù)

辛 勃，曹友明

(1.中國民用航空江西航空器適航審定中心，江西 南昌 330200；2.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)外吊掛運行是直升機(jī)最為常見和重要的運行作業(yè)形式之一，通過使用電動絞車和外吊掛設(shè)備來實現(xiàn)對直升機(jī)機(jī)外人員或者貨物的吊運。現(xiàn)有的CCAR-27/29部適航規(guī)章中D章第27/29.865條“外掛物”提出了專門適用于直升機(jī)加裝外吊掛構(gòu)型的適航審定要求，但由于國產(chǎn)民用直升機(jī)加裝外吊掛構(gòu)型的適航取證實踐相對較少，且缺乏直升機(jī)外吊掛運行類型的詳細(xì)解釋材料，國內(nèi)也沒有專用的吊掛設(shè)備的研制經(jīng)驗，故而工業(yè)部門工程人員和局方審查人員長期以來對該條款的適航技術(shù)要求和驗證要求把握不精準(zhǔn)、不充分，亟待提高。

本文以CCAR-27/29.865條“外掛物”為研究內(nèi)容，綜合考慮CCAR-91部第N章“旋翼機(jī)機(jī)外載荷作業(yè)飛行”的相關(guān)要求，從直升機(jī)外吊掛運行任務(wù)場景出發(fā)，解析直升機(jī)外吊掛運行分類形式；然后根據(jù)不同的直升機(jī)外吊掛運行分類深入研究具體適用的27/29.865條款內(nèi)容，解析出對應(yīng)的適航技術(shù)要求和驗證要求；最后結(jié)合工作經(jīng)驗從直升機(jī)外吊掛研發(fā)和適航審定融合的角度來闡明具體適航要求與直升機(jī)外吊掛設(shè)計、驗證之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并給出適航審查關(guān)注點，便于工業(yè)部門工程技術(shù)人員更好地理解和貫徹適航要求，以及局方審查人員更好地掌握和判定符合性，為后續(xù)相關(guān)適航審定工作的開展提供借鑒和參考。

1 直升機(jī)外吊掛運行分類

現(xiàn)行有效的CCAR-27-R2《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》[1]和CCAR-29-R2《運輸類旋翼航空器適航規(guī)定》[2]中，沒有直接界定直升機(jī)外吊掛運行類別。1988年版的CCAR27/29部中曾經(jīng)出現(xiàn)運行類別相關(guān)描述，但沒有給出明確定義，且現(xiàn)行有效版規(guī)章也刪除了相應(yīng)的描述。實際上，直升機(jī)外吊掛適航審定要求與運行分類密切相關(guān)，這就要求首先掌握直升機(jī)外吊掛的運行分類。結(jié)合對CCAR-91《一般運行和飛行規(guī)則》[3]第N章“旋翼機(jī)機(jī)外載荷作業(yè)飛行”和相關(guān)資料的研究發(fā)現(xiàn)，民用直升機(jī)吊掛運行類別通常稱為旋翼航空器-裝載組合。根據(jù)直升機(jī)不同吊掛載荷的運行作業(yè)方式，直升機(jī)外吊掛運行可以分為A級、B級、C級和D級四大類旋翼航空器-裝載組合。在這四大類基礎(chǔ)上，可以再根據(jù)吊掛運輸對象細(xì)分為有人外吊掛和無人外吊掛。其中A級、B級和C級旋翼航空器-裝載組合主要用于無人外吊掛，即通常大家熟悉的直升機(jī)外吊掛貨物運行，可能偶有在執(zhí)行貨物吊運任務(wù)時需要人員短暫在機(jī)外作業(yè)；而D級旋翼航空器-裝載組合主要用于有人外吊掛。具體四類旋翼航空器-裝載組合定義見表1。

表1 旋翼航空器-裝載組合類別與定義

需補(bǔ)充說明的是，D級HEC運行與A級、B級和C級HEC運行有所不同：D級HEC運行中被吊運的人員為非機(jī)組的公眾，其在機(jī)外也不是直接執(zhí)行吊掛作業(yè)任務(wù)，而是利用吊掛能力去完成其自身的任務(wù)(如引港、觀光、水上平臺運輸?shù)?；而A級、B級和C級HEC運行中被吊運的人員一般是機(jī)組成員，他們經(jīng)過特定的外吊掛作業(yè)訓(xùn)練，執(zhí)行吊掛作業(yè)任務(wù)(如架線等)。而要進(jìn)行D級作業(yè)，直升機(jī)通常還應(yīng)屬于滿足CCAR-29部A類的旋翼航空器。

2 直升機(jī)外吊掛主要適航要求

對于直升機(jī)外吊掛構(gòu)型來說，現(xiàn)行有效的CCAR-27/29部中最直接與直升機(jī)外吊掛相關(guān)的適航要求是27/29.865條“外掛物”。該條共包括6款要求，分別是對外掛物吊掛設(shè)備的強(qiáng)度驗證要求，釋放系統(tǒng)和載人裝置等的設(shè)計和驗證要求，HEC的補(bǔ)充設(shè)計和驗證要求，臨界拋放驗證要求，標(biāo)記和標(biāo)牌要求，吊掛設(shè)備的疲勞強(qiáng)度要求等。

截至目前，CCAR-27/29部適航規(guī)章第CCAR-27/29.865條內(nèi)容進(jìn)行了一次修訂，而美國聯(lián)邦航空局(FAA)的Part 27/29.865條經(jīng)過了二次修訂，但現(xiàn)行有效的CCAR-27/29部中的“外掛物”適航要求與FAA Part 27/29[4-5]中的“外掛物”適航要求一致。

根據(jù)27/29.865條[6-7]的修訂歷程來看，條款要求隨著修訂越來越詳盡和明確。但在具體審定項目應(yīng)用時，相應(yīng)的設(shè)計要求和驗證要求仍需要進(jìn)一步甄別適用性，并根據(jù)實際申請批準(zhǔn)的運行方式考慮符合性驗證計劃，這就使得該條款要求在具體型號應(yīng)用層面的工作難度大大增加。因此，需進(jìn)一步結(jié)合直升機(jī)外吊掛運行類型來解析其具體適航技術(shù)要求和驗證要求。

3 基于運行場景的適航要求解析

根據(jù)上述對直升機(jī)外吊掛運行分類情況的研究，A級、B級和C級RLC主要以貨物吊運為主，D級RLC用于人員吊運，A級RLC不可拋放，B級、C級和D級RLC可以拋放。因此，B級和C級RLC非常相似。實際上，直升機(jī)外吊掛運行通常會選擇B級和C級組合的方式?；诖?，我們以運輸類直升機(jī)為例，分A級、B級和C級、D級三種運行場景對適用的29.865條款具體內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的研究和解析。

3.1 直升機(jī)A級RLC的適航要求解析

直升機(jī)A級RLC最為典型的運行場景是直升機(jī)使用固定在起落架以上結(jié)構(gòu)的貨籃或貨架運送貨物，如圖1所示。

圖1 A級RLC典型運行示例

根據(jù)A級RLC特點，貨架上的自行車不能自由移動，也不能被投放，而且都固定在直升機(jī)起落架滑橇以上，不會引發(fā)貨物觸地。根據(jù)此構(gòu)型特點，可以確定CCAR29.865條中適用的內(nèi)容及相應(yīng)的設(shè)計和驗證指標(biāo)包括：

1)吊掛設(shè)備設(shè)計相對于機(jī)體不能移動(可能需要考慮貨物系留設(shè)計)，也不能拋放，其靜強(qiáng)度能夠承受申請批準(zhǔn)最大外掛貨物重量產(chǎn)生的限制靜載荷乘以載荷系數(shù)(取2.5或機(jī)動載荷和突風(fēng)載荷確定的系數(shù)中的小者)，主要用于吊掛設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計和驗證(涉及HEC運行，則載荷系數(shù)取3.5或機(jī)動載荷和突風(fēng)載荷確定的系數(shù)中較小者，但不能小于2.5，且載荷作用方向必須為垂直方向)。

2)如在某些特定情況，運行需機(jī)組人員在艙外執(zhí)行吊掛任務(wù)，則需要為機(jī)組人員配備必要的安全防護(hù)措施(通常包括安全帶、吊帶等)。

3)設(shè)置有安全防護(hù)措施使用程序和限制的標(biāo)記或標(biāo)牌，飛行手冊中應(yīng)包含相應(yīng)的程序和限制要求。

4)吊掛設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)附近設(shè)計布置有標(biāo)記或標(biāo)牌，規(guī)定相應(yīng)的使用限制和批準(zhǔn)的最大外掛載重。

5)對于失效會導(dǎo)致直升機(jī)發(fā)生危險的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行疲勞評定，否則不需進(jìn)行疲勞評定(涉及HEC運行，需對整個快速釋放系統(tǒng)、載人裝置結(jié)構(gòu)和連接件進(jìn)行疲勞評定)。

3.2 直升機(jī)B級和C級RLC的適航要求解析

直升機(jī)B級和C級RLC最為典型的運行場景如圖2和圖3所示。

圖2 B級RLC典型運行示例

圖3 C級RLC典型運行示例

B級RLC通常是直升機(jī)通過吊掛接頭吊掛消防吊桶進(jìn)行消防作業(yè)，或者直接使用吊掛接頭吊運貨物并到預(yù)定地點投放。

C級RLC通常是直升機(jī)進(jìn)行高空敷設(shè)電纜或海上牽引救援遇難船舶。

根據(jù)圖2和圖3的示例，B級RLC運行狀態(tài)下，吊掛接頭下的消防吊桶在某些情況下可以被投放，且消防吊桶在水面吸水之后可以被吊起飛離；C級RLC運行狀態(tài)下，牽引的電纜可以被斷開，即直升機(jī)承受的外部載荷被釋放，且運行期間被牽引電纜的另外一端始終與處于地面的高壓線塔連接。

基于B級和C級RLC特點，兩種運行場景的差異主要是外吊掛載荷的作用不同(包括載荷作用大小和作用方向)。而從適航要求角度可合并分析，確定CCAR29.865條中適用的內(nèi)容及相應(yīng)的設(shè)計和驗證指標(biāo)包括A級RLC的設(shè)計和驗證指標(biāo)和以下內(nèi)容：

1)外掛物的載荷作用方向考慮從垂直方向到運行中能達(dá)到的最大角度范圍；如果通過限制(結(jié)構(gòu)限制或者飛行限制等)能夠使得該角度被控制，則可以以此角度為運行中能達(dá)到的最大角度，主要用于評估外吊掛載荷在不同方向時對機(jī)身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響。

2)設(shè)計需要包括完全獨立的主快速釋放系統(tǒng)和備用快速釋放系統(tǒng)。主快速釋放系統(tǒng)的操縱器件應(yīng)設(shè)計布置在駕駛員主操縱機(jī)構(gòu)或等效可達(dá)位置，且在應(yīng)急情況下，其操縱不影響駕駛員對航空器的操縱能力。操縱應(yīng)該在5 s內(nèi)完成吊掛物釋放。備用快速釋放系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該保證任一駕駛員或其他機(jī)組方便可達(dá)，且其操縱應(yīng)該在30 s內(nèi)完成吊掛物釋放。

3)快速釋放系統(tǒng)應(yīng)保證在申請運行的各種狀態(tài)下(申請批準(zhǔn)范圍內(nèi)不同吊掛重量，不同速度等)功能正常，可靠和耐久；快速釋放系統(tǒng)應(yīng)該能抵御內(nèi)部和外部的電磁干擾，并進(jìn)行閃電防護(hù)；快速釋放系統(tǒng)能夠不受航空器電氣或機(jī)械失效的影響。

4)在申請的吊掛運行類別下，確定的臨界狀態(tài)必須通過分析、地面試驗和飛行試驗相結(jié)合的方式表明。在批準(zhǔn)的使用包線內(nèi)，外吊掛運行正常且可正常釋放，不會危及航空器；在應(yīng)急狀態(tài)，外掛載荷也能正常釋放，不會影響航空器安全。

3.3 直升機(jī)D級RLC的適航要求解析

直升機(jī)D級RLC最為典型的運行場景是直升機(jī)吊掛海港引航員引領(lǐng)船舶航行、靠泊、離泊、移泊，如圖4所示。

根據(jù)D級RLC的特點，被吊運載荷只能是人員，且該人員屬于普通公眾，不是經(jīng)過訓(xùn)練的作業(yè)機(jī)組人員。這類運行方式通常是以商業(yè)盈利為目的，且需要滿足CCAR29部A類性能的直升機(jī)來承擔(dān)作業(yè)任務(wù)。基于圖4示例的特點，可以確定適用的CCAR29.865條款具體內(nèi)容及相應(yīng)的設(shè)計和驗證指標(biāo)，除考慮A級、B級、C級RLC的設(shè)計和驗證指標(biāo)中有關(guān)有人外掛運行的要求外，還需要考慮：

1)D類RLC的直升機(jī)應(yīng)該滿足29部有關(guān)A類要求，即航空器一臺發(fā)動機(jī)失效后，在申請批準(zhǔn)的可拋放HEC重量、高度和溫度包線內(nèi)仍然有滿足要求的懸停能力。單發(fā)失效時，整個吊掛系統(tǒng)(電動絞車、應(yīng)急釋放等)功能應(yīng)正常。飛行手冊中應(yīng)該包括相關(guān)的單發(fā)停車懸停性能數(shù)據(jù)和操作程序。

2)整個快速釋放系統(tǒng)和吊掛裝置結(jié)構(gòu)及連接件均需要進(jìn)行疲勞評定。

圖4 D級RLC典型運行示例

4 符合性驗證方法和適航審查關(guān)注點

根據(jù)上述對直升機(jī)外吊掛不同運行場景適用的27/29.865條適航要求的解析[8]，基本明確了各類直升機(jī)外吊掛運行類別的設(shè)計要求和符合性驗證要求。下面總結(jié)給出具體適航要求與直升機(jī)外吊掛設(shè)計和驗證的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及適航審查的關(guān)注點。

4.1 適航要求與直升機(jī)外吊掛設(shè)計和驗證的關(guān)聯(lián)關(guān)系

本節(jié)主要從直升機(jī)外吊掛研發(fā)和適航審定融合的角度來闡明具體適航要求與研發(fā)和驗證之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.1.1 確定外吊掛運行類別

直升機(jī)研發(fā)設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)客戶要求在申請適航審定時明確擬確定的直升機(jī)吊掛運行類別，包括RLC等級、是否有人外掛、吊掛物是否可釋放等信息，可以同時申請多個運行類別的組合批準(zhǔn)，但應(yīng)針對每種運行類別表明對相應(yīng)適航要求和驗證要求的符合性。

4.1.2 外吊掛設(shè)計

直升機(jī)外吊掛設(shè)計主要包括外吊掛系統(tǒng)綜合設(shè)計(含強(qiáng)度)、安全性分析、總體氣動設(shè)計等。各項具體設(shè)計工作與27/29.865條款的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

圖5 外吊掛設(shè)計與適航條款關(guān)聯(lián)關(guān)系

4.1.3 外吊掛地面試驗驗證

外吊掛地面試驗主要包括外吊掛系統(tǒng)的靜強(qiáng)度試驗、疲勞強(qiáng)度試驗(適用時)、電動絞車的載荷-速度組合試驗(需考慮空載、25%、50%、75%和100%極限載荷等各種組合)、快速釋放系統(tǒng)功能試驗、吊掛系統(tǒng)設(shè)備(含電動絞車、快速釋放系統(tǒng))鑒定試驗、載人裝置鑒定試驗、電磁兼容試驗等。各項地面試驗驗證與27/29.865條款的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖6所示。

圖6 外吊掛地面試驗與適航條款關(guān)聯(lián)關(guān)系

4.1.4 外吊掛飛行驗證

外吊掛飛行試驗主要包括加裝外吊掛之后對直升機(jī)飛行性能和操縱特性的影響分析驗證(如適用，含A類OEI性能驗證)，正常和應(yīng)急拋放程序和拋放包線的確定驗證，吊掛運行飛行限制條件的確定驗證，外吊掛系統(tǒng)功能演示驗證等。各項飛行試驗驗證工作主要與27/29.865(b)(c)(d)有關(guān)。

4.2 適航審查關(guān)注點

根據(jù)對27/29.865條款要求的解析，結(jié)合適航審定工作實踐[9-10]，對直升機(jī)外吊掛運行適航審查工作的審查工作關(guān)注點進(jìn)行分析，具體包括：

1)是否明確定義了直升機(jī)外吊掛運行類別。

2)是否對外吊掛系統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計和驗證選擇了合理的載荷系數(shù)，尤其是申請有人和無人外吊掛組合運行的。

3)是否確定了預(yù)期的直升機(jī)外吊掛運行狀態(tài)，并根據(jù)此確定了對直升機(jī)飛行譜和載荷譜的影響，以及對受影響的直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度重新進(jìn)行評估或確定合理的強(qiáng)度衰減系數(shù)。

4)如使用電動絞車作為外吊掛設(shè)備，是否對其進(jìn)行了充分的設(shè)備鑒定試驗。

5)吊掛系統(tǒng)是否根據(jù)NHEC或HEC類型確定了需要進(jìn)行疲勞評定的結(jié)構(gòu)或零部件。

6)快速釋放系統(tǒng)的雙作動操縱設(shè)計是否真正滿足兩個不同方向動作的要求。

7)外吊掛系統(tǒng)、快速釋放系統(tǒng)和載人裝置的功能可靠性驗證演示循環(huán)是否代表了典型的運行狀態(tài)和規(guī)定的循環(huán)數(shù)。

8)飛行試驗驗證建立的正常和應(yīng)急程序是否合理和完整，是否與對應(yīng)的直升機(jī)外吊掛運行類別相匹配。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)對民用直升機(jī)外吊掛適航技術(shù)的研究，基本明確了直升機(jī)外吊掛的運行類別；深入解析了27/29.865條款的具體適航設(shè)計要求和驗證要求；結(jié)合工作經(jīng)驗從直升機(jī)外吊掛設(shè)計研發(fā)和適航審定融合的角度闡明了直升機(jī)外吊掛設(shè)計、驗證和27/29.865條適航要求的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系；進(jìn)一步總結(jié)了該條款適航審查和符合性判定的關(guān)注點。為后續(xù)工業(yè)部門工程技術(shù)人員更好地理解該條款，并在研發(fā)和驗證過程中貫徹該條款要求，正確完整地表明符合性提供了指導(dǎo)；也為局方審查人員精準(zhǔn)地掌握該條款適航要求并準(zhǔn)確判定符合性提供了參考。