直升機操縱系統(tǒng)適航性設計和驗證思路研究

邵玄玄，徐 新

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

操縱系統(tǒng)是關系到整個直升機的飛行安全重要系統(tǒng)之一，在設計初期將適航標準貫徹到整個研制流程是保證操縱系統(tǒng)及飛行安全可靠的前提。直升機操縱系統(tǒng)一般包括駕駛艙操縱裝置、操縱線系、主尾槳助力器、總距桿、周期性變距桿等設備。操縱系統(tǒng)主要分為橫向操縱系統(tǒng)、縱向操縱系統(tǒng)、航向操縱系統(tǒng)和總距操縱系統(tǒng)。總距操縱系統(tǒng)通常與發(fā)動機油門控制相聯(lián)動。研究直升機操縱系統(tǒng)適航性設計要求和符合性驗證對于推進系統(tǒng)的正向設計、讓適航在設計的初始階段提前介入有重要意義。本文通過分析操縱系統(tǒng)的適航標準，提出了操縱系統(tǒng)的適航性設計與驗證思路，并結(jié)合某型機操縱系統(tǒng)適航符合性驗證案例進行說明，能夠推動適航貫穿系統(tǒng)正向設計，為從事直升機操縱系統(tǒng)設計和適航人員提供技術參考。

1 操縱系統(tǒng)適用的適航條款

根據(jù)適航標準，民用直升機通常按正常類或運輸類進行合格審定，適航標準基于最低可接受的航空安全水平，規(guī)定了操縱系統(tǒng)的基本要求。具體型號的直升機操縱系統(tǒng)可能有不同的特點，但對一般操縱系統(tǒng)審定基礎來說，以29部為例，涉及每部的B分部“飛行”（2條）、C分部“強度要求”（9條）、D分部“設計與構(gòu)造”（25條）、F分部“設備”（2條）、G分部“使用限制和資料”（2條），共40條。操縱系統(tǒng)審定基礎如圖1所示。

圖1 操縱系統(tǒng)審定基礎

2 適航性設計與驗證思路

2.1 適航性設計要求

操縱系統(tǒng)的適航性要求是系統(tǒng)級要求，屬于對整個系統(tǒng)進行設計與驗證的安全要求，其審定基礎和適航基線需要以系統(tǒng)的角度確定，進而落實到下一層級系統(tǒng)或設備研制的適航要求，結(jié)合系統(tǒng)或設備的功能、性能等技術要求，形成研制和設計的技術依據(jù)。操縱系統(tǒng)適航性對設計流程的要求主要涉及以下幾方面。

2.1.1 總體設計考慮

對于系統(tǒng)的總體設計應在國軍標、航標、CCAR-29部的基礎上，將適航性要求納入到設計要求中，結(jié)合設計規(guī)范，保證在設計源頭將適航性要求貫徹到設計與驗證過程中。這一階段要明確系統(tǒng)功能和主要技術要求。

（1）使用環(huán)境：溫度、濕度、鹽霧和霉菌等。

（2）功能要求：操縱系統(tǒng)為機械操縱系統(tǒng)，包括飛行操縱系統(tǒng)和旋翼剎車操縱系統(tǒng)。

（3）性能要求：操縱裝置行程、槳葉變距范圍、傳動比/耦合系數(shù)/結(jié)構(gòu)提前操縱角、基準位置、啟動力及空行程等參數(shù)。

（4）可靠性、維修性、安全性、測試性、保障性要求：系統(tǒng)應對設計使用環(huán)境和壽命環(huán)境進行分析、對各系統(tǒng)及設備的設計進行故障模式及影響分析，盡可能通過設計消除所有的故障模式。

（5）安全性要求：確定系統(tǒng)功能危險及對應的保證級別，避免系統(tǒng)的單點故障、共模故障；系統(tǒng)的設計與機上安裝應保證當在飛行包線內(nèi)任一時刻發(fā)生故障時不會導致操縱線系故障和危害直升機繼續(xù)安全飛行與著陸。

2.1.2 操作設計考慮

操作設計是對操作功能的規(guī)定，應在總體設計中明確，包括：

（1）操作質(zhì)量需滿足條款29.671總則要求，操縱系統(tǒng)應操作簡便、平穩(wěn)、確切，并符合其功能，系統(tǒng)設計應盡可能簡單直接且有防差錯設計，必須確保飛行前操縱系統(tǒng)在全行程內(nèi)是有效的。

（2）與主飛行操縱系統(tǒng)交聯(lián)的操縱裝置均按安全性設計，在故障狀態(tài)下，不影響主飛行操縱系統(tǒng)功能，輔助操縱系統(tǒng)在故障、失效或卡滯時需滿足29.674要求。

（3）縱向、橫向、總距和航向通道之間，除非有特意的交聯(lián)耦合要求，相互間均應具有獨立性。操縱系統(tǒng)的輸入和輸出關系應一一對應。

（4）每個線系通道應設置安全可靠的符合條款29.675要求的行程限制裝置，其磨損、松動和松緊調(diào)節(jié)不會明顯影響操縱行程范圍；操縱系統(tǒng)鎖在正?；蛲洸僮鲿r其功能應滿足條款29.679要求。

2.1.3 強度設計考慮

強度設計考慮操縱系統(tǒng)在限制載荷及極限載荷下的強度校核，對于操縱系統(tǒng)，分別計算分析主槳操縱系統(tǒng)（總距、縱向和橫向）和尾槳操縱系統(tǒng)各操縱通道在中立位置和極限位置的臨界載荷情況，并選取其中最嚴酷的臨界載荷狀態(tài)對操縱系統(tǒng)的強度進行驗證，驗證結(jié)果表明操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下計算應力不會超過強度極限，且不會發(fā)生失穩(wěn)。符合性驗證涉及29.301、29.305、29.307、29.391、29.395、29.397、29.399等對強度、剛度和耐久性的要求。需同時考慮29.675（c）止動器條款的強度要求、29.613材料強度性能如壓縮、拉伸、剪切極限強度和屈服強度等材料的設計值的要求。

2.1.4 安裝設計考慮

安裝設計應考慮安裝力與安裝功能的正常，包括：

（1）系統(tǒng)各搖臂的鉸點應安裝在機體結(jié)構(gòu)承力部件上，應使力的傳遞最直接，并且應盡量安裝在機體原有承力構(gòu)件上，以減小重量代價。

（2）條款29.777要求駕駛艙內(nèi)的座艙操縱裝置布置便于操作并能防止混淆和誤動，其安裝位置與形狀，應與座椅、儀表板的位置與形狀相協(xié)調(diào)，并與標準的駕駛員身材尺寸相協(xié)調(diào)，應適應不同身高的駕駛員（150~183 cm）無阻擋地做全行程運動。

（3）條款29.779要求駕駛員的操縱動作（包括正常操縱和應急操縱）應與人的本能反應相一致，即前推駕駛桿，直升機應低頭，腳蹬也應類似。

（4）座艙操縱裝置上不應有明顯的力和運動反傳。操縱裝置下游部件的運動和作用力不應在座艙操縱裝置上有明顯的反應。

2.1.5 試驗設計考慮

操縱系統(tǒng)的試驗主要包括兩方面：操縱系統(tǒng)操作試驗和操縱系統(tǒng)限制載荷靜力試驗。

（1）29.307（b）（3）規(guī)定的操縱系統(tǒng)操作試驗需按條款29.683開展，試驗設計時，應明確試驗狀態(tài)、力正負的判定、施加在各操縱桿上載荷的大小和方向等，試驗過程分別操作操縱器件，對系統(tǒng)進行卡阻、過度摩擦和過度變形等進行檢查和評估。根據(jù)29.683的要求，應在鐵鳥臺架進行相關操作試驗，試驗載荷應根據(jù)29.395、29.397、29.399條款而定。

（2）29.307（b）（2）規(guī)定的操縱系統(tǒng)限制載荷靜力試驗需按條款29.681開展，進行操縱系統(tǒng)載荷和強度分析，在對作角運動的操縱系統(tǒng)接頭分析中考慮特殊系數(shù)。

2.1.6 系統(tǒng)失效-安全設計考慮

系統(tǒng)關鍵零部件、緊固件、交聯(lián)操縱裝置、設備、系統(tǒng)及安裝等條款定義的可能出現(xiàn)的故障，失效或危害性情況需進行操縱系統(tǒng)故障模式影響、危害性分析以及操縱系統(tǒng)功能危險分析。應根據(jù)功能危險性分析（FHA），確定操縱系統(tǒng)的重大影響以上的失效狀態(tài)種類。按影響等級進行分類，形成評估災難性功能故障、危險的功能故障、嚴重的功能故障矩陣。

2.1.7 專用條件考慮

如果現(xiàn)有適航規(guī)則無法覆蓋操縱系統(tǒng)某些技術要求，就需要制定專用條件。如BELL 525直升機電傳飛行控制系統(tǒng)，需要有操縱指令信號完整性設計考慮、系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)交聯(lián)考慮等專用條件。

2.2 驗證思路

根據(jù)適航要求指導系統(tǒng)的設計構(gòu)型及設計特征，確定圖紙、技術規(guī)范及其清單、滿足強度所需的尺寸、材料、工藝資料和持續(xù)適航中的適航性限制，形成設計資料，是進行制造檢查的依據(jù)。對系統(tǒng)/設備驗證的過程形成試驗大綱、計算或分析報告、試驗報告等，形成驗證資料。

操縱系統(tǒng)設計與驗證模型如圖2所示，技術路線采用的是雙流程模式，即自上而下的設計流程和自下而上的驗證流程，其中驗證流程包括設計驗證、制造檢查及系統(tǒng)驗證，適用于較為復雜的系統(tǒng)。

圖2 操縱系統(tǒng)設計與驗證模型

（1）設計驗證

設計驗證是通過分析、計算、模擬等方式表明方案、原理及功能等的適航性要求，是對適航性設計的檢查過程，其驗證結(jié)果表明的是設計符合性。

（2）制造檢查

制造檢查是在系統(tǒng)驗證之前以確保產(chǎn)品制造與設計的一致性為目的而開展的一系列試驗件、試驗設備檢查、重要工序檢查以及機上檢查等活動，驗證制造符合性。主要包括兩方面：試驗產(chǎn)品構(gòu)型以及設計偏離，其檢查依據(jù)是型號設計資料。制造檢查是進行試驗驗證的前提，用來表明試驗產(chǎn)品符合型號設計資料。

（3）系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)驗證是通過試驗室試驗、機上地面試驗、飛行試驗、航空器檢查、模擬器等方式表明系統(tǒng)的適航要求，目的在于驗證系統(tǒng)符合性。系統(tǒng)驗證是對設計符合性的二次驗證過程，其驗證結(jié)果應與設計驗證的結(jié)果具有一致性。

3 某型機操縱系統(tǒng)審查案例分析

某型機采用并列式雙駕駛，機械/液壓助力操縱系統(tǒng)，如圖3所示。操縱系統(tǒng)機載設備清單包括舵機、剎車球柔鋼索、連桿、手柄、助力器、阻尼器等全部定性為關重件。操縱系統(tǒng)與其他諸多系統(tǒng)存在接口，如自動飛控系統(tǒng)串/并舵機、主減、發(fā)動機傳感器、起落架機輪剎車傳感器等。

圖3 某型機操縱系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)合格審定基礎考慮

基于操縱系統(tǒng)的工作原理以及設計特征和基礎數(shù)據(jù)，其合格審定考慮必須貫穿從操縱輸入到操縱輸出整個過程，應至少包含設計、安裝、安全性分析和持續(xù)適航等幾個方面。

（1）系統(tǒng)設計必須遵照設計規(guī)范以及適航規(guī)章要求，其計算和分析過程需經(jīng)適航當局批準。

（2）安裝設計必須涵蓋主槳操縱系統(tǒng)、尾槳操縱系統(tǒng)、駕駛艙操縱器件的各子系統(tǒng)和設備，并包含機上安裝的考核。

（3）系統(tǒng)的安全性分析主要是對系統(tǒng)功能危險分析、故障模式影響及危害性進行驗證的過程，要求其必須保守合理。

（4）持續(xù)適航是對操縱系統(tǒng)每個要素提供控制和操作說明，并對系統(tǒng)工作過程中的各種失效或降級情況給出應對程序。

3.2 符合性驗證工作

根據(jù)操縱系統(tǒng)的審定基礎考慮，結(jié)合圖1，經(jīng)評估，操縱系統(tǒng)的適航符合性驗證工作見表1，下述工作的開展均按照《航空器型號合格審定程序AP-21》的規(guī)定執(zhí)行。

表1 操縱系統(tǒng)適航符合性驗證工作

操縱系統(tǒng)設計過程中充分考慮了各項適航條款，可以滿足CCAR-29-R2的適航要求，具體符合性分析如下。

3.2.1 設計驗證

設計驗證的結(jié)果表明的是設計（包括設計方案、原理、功能等）符合性，某型機操縱系統(tǒng)采用計算、分析、模擬等方法：如MC1設計描述文件、工藝規(guī)范目錄、操縱系統(tǒng)圖紙、零部件清單、飛行手冊、技術條件；MC2強度計算、檢查措施符合性分析；MC3功能危險性評估、區(qū)域安全性分析、故障模式影響及危害性分析等工作。

3.2.2 制造檢查

某型機操縱系統(tǒng)開展系統(tǒng)驗證之前對試驗件/試驗設備進行制造檢查，表明試驗產(chǎn)品與設計的一致性，如依據(jù)操縱系統(tǒng)限制載荷靜力試驗大綱、操縱系統(tǒng)操作試驗大綱、飛行試驗大綱等對試驗件或試驗設備開展試驗前的檢查等工作。

3.2.3 系統(tǒng)驗證

某型機操縱系統(tǒng)的系統(tǒng)驗證是對系統(tǒng)的適航性進行驗證的過程，其驗證結(jié)果與設計驗證的結(jié)果具有一致性，采用試驗及系統(tǒng)檢查等方式表明適航要求：如MC4限制載荷靜力試驗、疲勞試驗；MC5機上地面試驗、操縱系統(tǒng)操作試驗；MC6隨機試飛驗證、試飛機組評定；MC7操縱系統(tǒng)的工程符合性檢查等工作。

4 結(jié)束語

隨著國產(chǎn)民用直升機逐步走向市場，為確保直升機安全性，各系統(tǒng)在設計流程中加強對適航條款規(guī)章的理解，有助于表明適航符合性和推進民用直升機適航取證工作。本文分析了操縱系統(tǒng)相關的條款及審定基礎，對民用直升機操縱系統(tǒng)適航性設計要求進行解析，提出了操縱系統(tǒng)適航性設計與驗證思路，能夠為直升機操縱系統(tǒng)適航性設計和驗證及推動適航貫穿系統(tǒng)正向設計提供參考。