CN112623265B - 一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机飞行试验技术领域，公开了一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法。根据《运输类旋翼航空器适航规定》CCAR‑29‑R1等规章制定海上救生等风险科目试飞需求和测试需求，采用直升机飞行力学理论模型，评估海上紊流对直升机影响，根据理论模型分析结果进行试飞科目和试飞方法设计；利用模拟器进行预试飞，验证试飞流程，从而控制试飞风险，依据测试数据结合试飞机组评述给出完整的数据处理方法；形成民用直升机海上救生性能验证科目试飞技术。

Description

一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法

技术领域

本发明属于直升机飞行试验技术领域，特别涉及一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法。

背景技术

直升机用于海上救生具有越来越重要的意义，一般海上发生突发事故以后，最主要的是争取时间，要在最短时间内救出被困的人员，否则时间越长，人员生存的机会就越少。直升机能够快速出动，快速达到目的地，并且救援直升机能够根据需要灵活开展救援事宜，不会受到海浪影响，不需要像舰船等需要出港时间。我国拥有300多万平方公里海域，6000多个岛屿，18000 多公里海岸线来讲，目前救援直升机及开展的救援工作远远不够。

飞行试验是对直升机飞行安全性最主要也最可靠的检验方法，因而也是民用直升机适航审定的重点科目，我国已成功研制Z8、Z9、Z11、AC313、AC352 等不同吨位直升机，为直升机海上救援工作大规模开展，迫切需要开展全方位的试飞验证。由于直升机海上救生科目等属于直升机特殊使用环境飞行，国内并不具备直升机海上救生试飞科目验证技术，包括在试飞内容、验证方法、风险控制技术、测试及数据处理等方面均处于空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题：根据《运输类旋翼航空器适航规定》CCAR-29-R1 等规章制定海上救生等风险科目试飞需求，采用直升机飞行力学理论模型，评估海上紊流对直升机影响，根据理论模型分析结果进行试飞科目和试飞方法设计；利用模拟试飞进行提前试飞，验证试飞流程，从而控制试飞风险，另外在试飞基础上给出了测试需求，测试直升机姿态、过载等参数，依据测试数据结合试飞机组主管评述给出完整的数据处理方法，从而形成一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法。

一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，包括以下步骤：

第一步：确定民用直升机海上救生适航条款符合性验证的试飞项目；

第二步：依据试飞项目确定试飞测试的参数、数据同步记录方式和数据采样率；

第三步：对试飞项目进行细化，确定不同风速和海况条件下的试飞子项目；

第四步：建立直升机飞行力学模型，并融合海上的紊流模型，对不同风速和海况条件下各试飞子项目进行直升机操纵响应特性分析；

第五步：飞行机组利用直升机飞行模拟器按照试飞子项目进行海上救生模拟试飞和训练，并根据模拟试飞的结果对试飞子项目进行修订；

第六步：飞行机组按照修订后的试飞子项目进行海上试飞，并对直升机海上试飞时的飞行品质进行等级评价；

试飞测试数据进行滤波、平滑处理，利用参数识别方法计算直升机海上救生试飞时的稳定性；

第七步：根据飞行机组飞行品质等级评价结果和试飞测试数据，确定直升机在不同风速和海况条件下进行救生时的稳定性、操纵性及可行性，形成民用直升机海上救生验证试飞结论。

进一步，在所述第一步中所述试飞项目包括：救生状态抗侧风能力、救生状态直升机稳定性、不同风速状态下海上救生全流程演示，海上救生应急程序验证。

进一步，在于在所述第二步中，测试参数包括：直升机的操纵量、直升机地速、飞行姿态、直升机重心处的过载；

采用机载数据采集系统对测试参数的数据进行采集记录；

采用GPS系统授时进行测试数据同步；

采样率为128Hz。

进一步，在所述第四步中，在直升机海上救生飞行力学模型基础上融合海上紊流模型进行直升机操纵响应分析，在海面复杂大气流场环境下，分析不同的风速、海况对直升机操纵稳特性和试飞可行性，制定不同海面环境条件下的直升机最佳救援方案。

进一步，在所述第五步中，将直升机海上紊流模型融合到飞行仿真软件中，飞行机组利用飞行模拟器按照试飞项目进行试飞。

进一步，在所述第六步中，所述参数识别方法为根据风险科目中试飞数据特点进行数据预处理，主要内容包括数据野值的剔除与补正、低通滤波、传感器位置校正以及数据相容性检查和数据重建。

进一步，在所述第七步中，采用飞行机组采用“库珀-哈珀”评定准则主观评价直升机在不同海况条件下进行救生时的稳定性、操纵性及可行性。

进一步，所述海上紊流模型的空间频率功率谱密度函数通过以下过程确定：

根据Dryden提出的指数型纵向大气紊流相关函数

f(τ)＝e^-|τ|L

式中：L为大气紊流的特征长度；

由不可压缩流的连续性条件可以得到大气紊流的纵向相关函数f(τ)与横向相关函数g(τ)转换公式如下：

将纵向大气紊流相关函数代入上述转换公式得横向大气紊流相关函数为

根据纵向和横向大气紊流相关函数得到大气紊流的功率谱密度函数为：

式中：Φ_uu(Ω)、Φ_vv(Ω)和Φ_ww(Ω)分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的功率谱密度函数，Ω为海面风空间频率，π为圆周率，σ_u、σ_v和σ_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的强度，L_u、L_v和L_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流功率谱密度的特征长度。

本发明的有益效果：根据《运输类旋翼航空器适航规定》CCAR-29-R1等规章制定海上救生风险科目试飞需求和测试需求，能够满足民用直升机适航取证试飞验证要求；采用直升机飞行力学理论模型，评估海上紊流对直升机影响，根据理论模型分析结果进行试飞科目和试飞方法设计，试飞针对性更强；利用模拟器试飞进行预前试飞，验证试飞流程，从而控制试飞风险；从而形成一种民用直升机海上救生性能验证科目试飞技术，开拓了一种试飞验证新技术。

附图说明

图1是直升机海上救生飞行需求分析映射关系；

图2是直升机三维空间大气紊流的生成示意图；

图3是40m/s平飞飞越含湍流的4号风切变各状态量变化历程图；

图4是飞行仿真系统模型框图；

图5是“库珀-哈珀”驾驶员飞行品质评定流程图。

具体实施方式

一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，包括以下步骤：

第一步：依据CCAR29部等相关适航规章要求，给出了与直升机海上救生验证相关条款，另外对中国直升机适航标准91部与135部关于水上运行相关条款专题研究，91部与135部涉及水上运行相关条款主要涉及航电应急和救生设备的安装要求，海上救生条款共计36条，需试飞验证条款15条，对需要验证条款进行详细解读；在此基础上进行海上救生试飞方案设计，初步明确试飞项目和内容，制定试飞方法，主要试飞项目包括救生状态抗侧风能力、救生状态直升机稳定性影响，不同风速状态海上救生全流程演示，海上救生应急程序验证，验证条款与试飞项目映射具体见图1。

第二步：根据第一步给出的试飞项目和内容给出数据采集方案，为满足海上救生试飞抗侧风能力科目验证数据评估需求，需要测试直升机各操纵量，涉及总距杆、周期变距杆、脚蹬操纵位移传感器安装和标定等，另外需要测量直升机地速时直升机对大地移动情况，需要机上加装差分GPS系统；稳定性科目需要测试直升机姿态、过载参数。飞行时采用机载数据采集系统进行数据采集和记录。所有测试参数被接入相对应的测试板卡，经过机载采集系统的CPU汇总后以PCM编码的形式通过记录控制器被记录在CF卡中。整个测试系统由GPS 系统进行授时。各参数采用128Hz采样率，可以满足海上救生性能验证飞行评估要求。

另外试验过程中的基本信息。参试试飞机组填写试验日志、记录试验过程中的基本信息，作为评价直升机海上救生操稳特性主观评价和系统功能主观评价的基本依据。

第三步：海上救生详细试飞内容及方法设计，根据直升机海上救生特点细化试飞内容和试飞方法。

第四步：利用直升机飞行力学模型进行直升机操纵响应分析，为试飞项目具体试飞方法可行性分析提供理论依据；以直升机吊挂飞行动力学模型为基础，拓展双吊点、海上湍流风场模型，用于对悬停状态下的绞车救生飞行状态进行飞行特性分析。在直升机飞行力学模型基础上融合相应的海上紊流模型，这是本步骤的关键，利用理论模型研究海面复杂大气流场环境，分析不同的风速、海况对直升机操稳特性和救援效果的影响，探讨不同海面环境条件下的直升机最佳救援方案。

空间频率功率谱密度函数的确定

根据大量测量的统计数据，Dryden提出指数型的纵向大气紊流相关函数

f(τ)＝e^-|τ|L

式中：L为大气紊流的特征长度。

由不可压缩流的连续性条件可以得到大气紊流的纵向相关函数f(τ)与横向相关函数g(τ)存在如下关系：

将纵向大气紊流相关函数代入上述转换公式得横向大气紊流相关函数为

由上述相关函数可以得到大气紊流的功率谱密度函数为

式中：Φ_uu(Ω)、Φ_vv(Ω)和Φ_ww(Ω)分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的功率谱密度函数，Ω为空间频率，π为圆周率，σ_u、σ_v和σ_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的强度，L_u、L_v和L_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流功率谱密度的特征长度。

采用以上Dryden紊流算法生成给定空间点的时域离散大气紊流速度，在速度坐标系框架下，沿速度的纵向采用时间序列延迟法扩展紊流场，横向和垂向采用统计特性守恒的高斯插值法进行紊流场空间扩展，最终形成覆盖直升机各个气动面的三维空间大气紊流速度场，图2为直升机三维空间大气紊流的生成示意图，图3为理论分析结果。

第五步：充分利用飞行模拟器的功能，在飞行模拟器上实现直升机海上救生性能验证科目的模拟试飞，将第四步已确认过的试飞内容、方法在模拟器进行预先模拟试飞，根据模拟试飞结果分析试飞风险，以实现飞行员对风险试飞科目的熟悉和预先评估，更贴合实际地指导试飞科目的设计，根据模拟试飞情况对具体试飞内容进行进一步调整，降低试飞风险。将建立的直升机海上救生紊流模型融入到飞行仿真软件中，这是本步的关键：包括增加“气象环境模拟”部件、“海洋环境模拟”部件，飞行仿真系统模型框图见图4。

1)“气象环境模拟”部件：主要包括训练区域的基础天气模拟、大气压力模拟、大气密度模拟、紊流及阵风模拟和部分典型温度场模拟；

2)“海洋环境模拟”部件：主要包括不同条件下舰船所在位置的海流流向模拟和浪高、浪向模拟。

第六步：试飞结果评估方法：

1)试飞时，飞行机组依据库伯-哈泊评定准则(见图5)主观评价直升机在海上救生飞行的操纵性及稳定性以及操纵负荷；利用机载测试数据分析直升机在海上救生飞行的操纵性及稳定性以及操纵负荷，稳定性数据数据处理时，先对试飞数据进行滤波、平滑，然后利用参数识别方法求得稳定性参数。

2)根据测试数据分析和试飞机组评述得出绞车海上救生抗风能力和抗下降气流能力，其数据处理方法与常规直升机抗侧风评价方法相同。

本发明一方面是利用直升机飞行力学模型对试飞内容和试飞方法的可行性和安全进行评估，其力学模型以直升机吊挂飞行动力学模型为基础，拓展双吊点、海上湍流风场模型，用于对海上救生主要状态悬停、前飞、侧飞等飞行状态的绞车救生飞行特性进行分析。

本发明另一方面是利用直升机飞行模拟器进行模拟试飞以评估试飞可性能并控制试飞风险。飞行仿真系统主要模拟直升机全机气动特性，既需要模拟直升机各主要系统的气动力学特性，还需模拟外界典型气流场动力学特性。是整个飞行训练器的核心之一，其仿真结果直接影响飞行训练器仿真准确性和置信度，直接影响模拟试飞效果。

实施例

下面结合AC313直升机海上救生性能试飞实施，对本发明做进一步详细说明。其具体步骤如下：

[1]试飞项目设计

根据技术方案步骤一、针对直升机救生绞车海上救生特点，进行试飞能力需求和试飞科目设计，具体如下：

1)绞车救生抗风能力，验证绞车进行绞车救生时抗侧风能力；模拟验证绞车执行海上救生飞行试验流程方法的可行性；

2)救生动稳定性，评估直升机在海上救生飞行状态下的稳定性；

3)不同海况下，海上救生全流程验证，验证直升机海上救生操纵性，可实施性等；

4)直升机特情验证，评估单发失效、尾桨故障等情况的直升机特情处置。

[2]测试及测量

按直升机海上救生性能验证试飞需要，进行测试测量。

[3]试飞方法设计

a)绞车救生抗风能力试飞

1)模拟救生用假人2个；

2)侧后飞：绞车操作员放下绞车吊索至75m处，飞行员尝试从悬停向 55km/h的地速侧飞(或后飞)缓慢加速，直到操作员报告绞车吊索的偏摆角度接近15°极限或飞行员感到难以继续加速时，匀速侧飞(或后飞)30s；

3)绞车操作员收起绞车吊索至6m处，直升机下降高度至40m悬停，飞行员尝试以55km/h的地速侧飞(或后飞)缓慢加速，直到绞车操作员报告绞车吊索的偏摆角度接近15°极限或飞行员感到难以继续加速时，匀速侧飞(或后飞)30s；

4)前飞：直升机机轮离地高度90m悬停，绞车操作员放下绞车吊索至75m 处，飞行员分别以地速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、 60km/h、70km/h、80km/h稳定平飞各30s，由飞行员确定可接受的海上救生最大抗正向来风速度限制Vg75；

5)绞车操作员收起绞车吊索至6m处，直升机下降高度至40m，悬停，飞行员分别以地速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、 70km/h、80km/h稳定平飞各30s，由飞行员确定可接受的海上救生最大抗正向来风速度限制Vg6。

b)绞车救生动稳定性试飞

检查绞车海上救生飞行中动稳定性、模拟验证绞车执行海上救生飞行试验流程方法的可行性。

1)直升机带假人垂直起飞、缓慢爬升至机轮离地90m，稳定悬停；

2)绞车操作员下放绞车吊索至吊索伸出长度75m处，保持机轮离地高度 90m稳定悬停，依次对纵向、横向、航向操纵通道进行单向脉冲激励，每次激励前保持机身稳定悬停至少10s，激励后保持各操作通道固持 20s。试飞中姿态响应过大时飞行员应中断科目并及时改出；

3)缓慢增速爬升至离地高度300m，进行稳定平飞，逐步增加前飞速度，确定绞车带吊挂物飞行时振动、驾驶品质、吊索偏摆情况和绞车操作员工作负荷可接受的最大前飞速度Vg；

4)离地高度300m，以指示空速0.9Vg保持稳定前飞，依次对纵向、横向、航向操纵通道进行单向脉冲激励，每次激励前保持机身稳定悬停至少 10s，激励后保持各操作通道固持20s。试飞中姿态响应过大时飞行员应中断科目并及时改出；

5)绞车操作员收起绞车至吊索伸出长度为6m，直升机下降高度至机轮离地40m稳定悬停。重复执行1)～4)。

c)绞车救生任务演示(不同海况分别验证)

1)绞车吊挂试验重物：假人2个，如有绞车救生员，则只需要水面待救假人1个(水面待救假人需救生员或地面人员在水面配合将救援吊带与其连接)；

2)接近目的地水面时，识别水面目标，降低高度；

3)根据当时低空环境的主风向，在下降中实施1-2次机动转弯，使直升机正向面对主风向、向施救点飞行；

4)在水面施救人员上方40m高度悬停；

5)当救生员到达水面后，为方便救生员完成地面营救工作，额外将吊索再多放出一定的长度，随后松开绞车操作手柄的转轮开关，绞车自动停车；

6)救生员将被救假人与救援吊带系好，并将其挂在绞车的挂钩上，向绞车操作员发出提升信号(打手势或旗语)，提示绞车操作员可以起吊，吊升至客舱门口时，绞车操作员将绞车操作手柄放在座椅或挂架上；

7)人员或货物到达舱门口时，绞车操作员右手扶持客舱把手，左手拉拽绞车吊索，协助救生员将被救假人拖至客舱内；绞车操作员打开舱门，使用救援吊带将救生员或仿救生员的假人固定于绞车上，并将另一根救援吊带先与绞车挂钩连接好，缓慢放下绞车吊索；

8)绞车操作员观察水面，并语音通知飞行员及时调整悬停位置；

9)救生员或地面人员配合完成对水面待救假人与救援吊带之间的连接固定；

10)绞车操作员完成对救生员或仿救生员的假人及被救假人(或两假人)

吊升并引入舱内。

d)直升机海上救生典型特情验证

1)单发失效：直升机小重量起飞，正常飞行，在水面施救人员上方40m 高度悬停；在水面施救人员上方40m高度悬停，按绞车救生任务演示科目进行正常救援，将一台发动机置于慢车位，模拟单发失效故障；

2)尾桨失效：直升机小重量起飞，迎风起飞，在水面施救人员上方40m 高度悬停，按绞车救生任务演示科目进行正常救援；

稳定悬停保持1min；

保持其它操纵不变，左脚蹬向前蹬至尾桨零桨距处(对应左脚蹬向前约1.4cm处)，模拟尾桨突然失效，并等待1s；

脚蹬位置不变，操纵驾驶杆和总距杆使直升机向前加速同时降低高度，努力稳定直升机；

待直升机状态可控后，通过下放总距，进入自转，至少稳定自转下滑下降200m；在离地高度不低于500m前恢复脚蹬操纵并改出自转，进行有动力飞行；

有动力下滑进场着陆。

[4]直升机海上救生理论海洋紊流对直升机操纵分析

海上救生理论建模分析结果表明，直升机海上操纵余量满足要求，直升机响应情况正常。

但对尾桨失效等风险科目，直升机响应较大，存在安全隐患，建议在陆上机场实施。

[5]模拟器模拟试飞

利用模拟器对[3]试飞内容进行模拟试飞，在执行模拟试飞前，对现有的 AC313模拟器进行了升级改造。

1)飞行仿真系统主要模拟AC313直升机全机气动特性，既需要模拟直升机各主要系统的气动力学特性，还需模拟外界典型气流场动力学特性。是整个飞行训练器的核心之一，其仿真结果直接影响飞行训练器仿真准确性和置信度，是决定模拟器建成后等级水平的核心因素之一。

2)飞行仿真系统模型采用模块化设计体系架构，确保模块之间的功能和接口清晰，并能实现整个飞行仿真系统运行实时、逻辑正确。飞行仿真系统的模型设计首先建立机身、旋翼、尾桨、平垂尾以及起落架模型，考虑气动干扰因素，加入综合气动干扰模型，首先建立AC313直升机的最基本的模型架构；然后加入发动机动力学及发控模块，形成动力设备- 全机气动的完整全机模型回路，能够支持起飞-飞行-降落全过程动力学特性的仿真；进一步考虑影响飞行安全的重要因素，对直升机主要系统的典型故障进行仿真建模；同时考虑AC313直升机的主要应用环境，对典型气流动力学特性进行建模。

[6]数据处理及试飞结果

按步骤[4]的试飞方法进行试飞，飞行机组对直升机操稳特性进行评述，飞行后，下载机载测试数据并进行分析(由于数据处理方法与公开的直升机数据处理方法基本相同，本例只列出典型试飞结果和结论)：

1)试飞结果表明AC313直升机在进行绞车救生时，AC313直升机海上救生飞行时允许的最大来流为70km/h，其最危险的方向(右侧)可抗55km/h 的侧风。

2)从悬停开始，以10km/h的步长逐渐增加前飞地速，直到80km/h。根据飞行中的操纵感觉、工作负荷，确定了6m吊索的最大前飞地速 Vg6＝70km/h，也确定75m吊索的最大前飞地速Vg75＝70km/h；

3)动稳定性试飞曲线中，明显伴随周期约为3～4s的小幅度震荡，这种震荡不随直升机状态趋于稳定而衰减。初步分析为吊挂物自由振荡，在实际任务飞行中飞行员和绞车操作手应予注意；

海上救生典型特情验证试飞结果表明：单发失效、尾桨失效等应急情况直升机操纵性能够满足海上救生要求。

Claims (8)

1.一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

第一步：确定民用直升机海上救生适航条款符合性验证的试飞项目；

第二步：依据试飞项目确定试飞测试的参数、数据同步记录方式和数据采样率；

第三步：对试飞项目进行细化，确定不同风速和海况条件下的试飞子项目；

第四步：建立直升机飞行力学模型，并融合海上的紊流模型，对不同风速和海况条件下各试飞子项目进行直升机操纵响应特性分析；

第五步：飞行机组利用直升机飞行模拟器按照试飞子项目进行海上救生模拟试飞和训练，并根据模拟试飞的结果对试飞子项目进行修订；

第六步：飞行机组按照修订后的试飞子项目进行海上试飞，并对直升机海上试飞时的飞行品质进行等级评价；

第七步：根据飞行机组飞行品质等级评价结果和试飞测试数据，确定直升机在不同风速和海况条件下进行救生时的稳定性、操纵性及可行性，形成民用直升机海上救生验证试飞结论。

2.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在所述第一步中所述试飞项目包括：救生状态抗侧风能力、救生状态直升机稳定性、不同风速状态下海上救生全流程演示、海上救生应急程序验证。

3.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在于在所述第二步中，试飞测试的参数包括：直升机的操纵量、直升机地速、飞行姿态、直升机重心处的过载；

采用机载数据采集系统对试飞测试参数的数据进行采集记录；

采用GPS系统授时进行测试数据同步；

数据采样率为128Hz。

4.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在所述第四步中，在直升机海上救生飞行力学模型基础上融合海上紊流模型进行直升机操纵响应分析，在海面复杂大气流场环境下，分析不同的风速、海况对直升机操纵稳特性和试飞可行性，制定不同海面环境条件下的直升机最佳救援方案。

5.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在所述第五步中，将直升机海上紊流模型融合到飞行仿真软件中，飞行机组利用飞行模拟器按照试飞项目进行试飞。

6.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在所述第六步中，所述参数识别方法为根据风险科目中试飞数据特点进行数据预处理，所述数据预处理至少包括数据野值的剔除与补正、低通滤波、传感器位置校正以及数据相容性检查和数据重建。

7.根据权利要求1所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：在所述第七步中，采用飞行机组采用“库珀-哈珀”评定准则主观评价直升机在不同海况条件下进行救生时的稳定性、操纵性及可行性。

8.根据权利要求4所述的一种民用直升机海上救生性能验证试飞方法，其特征在于：所述海上紊流模型的空间频率功率谱密度函数通过以下过程确定：

根据Dryden提出的指数型纵向大气紊流相关函数

f(τ)＝e^-|τ|/L

式中：L为大气紊流的特征长度；

由不可压缩流的连续性条件可以得到大气紊流的纵向相关函数f(τ)与横向相关函数g(τ)转换公式如下：

将纵向大气紊流相关函数代入上述转换公式得横向大气紊流相关函数为

根据纵向和横向大气紊流相关函数得到大气紊流的功率谱密度函数为：

式中：Φ_uu(Ω)、Φ_vv(Ω)和Φ_ww(Ω)分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的功率谱密度函数，Ω为海面风空间频率，π为圆周率，σ_u、σ_v和σ_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流速度的强度，L_u、L_v和L_w分别为纵向、横向和垂向大气紊流功率谱密度的特征长度。

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