邵玄玄，徐 新

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

操縱系統(tǒng)是關(guān)系到整個(gè)直升機(jī)的飛行安全重要系統(tǒng)之一，在設(shè)計(jì)初期將適航標(biāo)準(zhǔn)貫徹到整個(gè)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(jī)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(shè)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)?？偩嗖倏v系統(tǒng)通常與發(fā)動機(jī)油門控制相聯(lián)動。研究直升機(jī)操縱系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)要求和符合性驗(yàn)證對于推進(jìn)系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)、讓適航在設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，提出了操縱系統(tǒng)的適航性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路，并結(jié)合某型機(jī)操縱系統(tǒng)適航符合性驗(yàn)證案例進(jìn)行說明，能夠推動適航貫穿系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)，為從事直升機(jī)操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和適航人員提供技術(shù)參考。

1 操縱系統(tǒng)適用的適航條款

根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)，民用直升機(jī)通常按正常類或運(yùn)輸類進(jìn)行合格審定，適航標(biāo)準(zhǔn)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(jī)操縱系統(tǒng)可能有不同的特點(diǎn)，但對一般操縱系統(tǒng)審定基礎(chǔ)來說，以29部為例，涉及每部的B分部“飛行”（2條）、C分部“強(qiáng)度要求”（9條）、D分部“設(shè)計(jì)與構(gòu)造”（25條）、F分部“設(shè)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(chǔ)如圖1所示。

圖1 操縱系統(tǒng)審定基礎(chǔ)

2 適航性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路

2.1 適航性設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的安全要求，其審定基礎(chǔ)和適航基線需要以系統(tǒng)的角度確定，進(jìn)而落實(shí)到下一層級系統(tǒng)或設(shè)備研制的適航要求，結(jié)合系統(tǒng)或設(shè)備的功能、性能等技術(shù)要求，形成研制和設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)。操縱系統(tǒng)適航性對設(shè)計(jì)流程的要求主要涉及以下幾方面。

2.1.1 總體設(shè)計(jì)考慮

對于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)在國軍標(biāo)、航標(biāo)、CCAR-29部的基礎(chǔ)上，將適航性要求納入到設(shè)計(jì)要求中，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范，保證在設(shè)計(jì)源頭將適航性要求貫徹到設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程中。這一階段要明確系統(tǒng)功能和主要技術(shù)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(jī)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(zhǔn)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(yīng)對設(shè)計(jì)使用環(huán)境和壽命環(huán)境進(jìn)行分析、對各系統(tǒng)及設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行故障模式及影響分析，盡可能通過設(shè)計(jì)消除所有的故障模式。

（5）安全性要求：確定系統(tǒng)功能危險(xiǎn)及對應(yīng)的保證級別，避免系統(tǒng)的單點(diǎn)故障、共模故障；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與機(jī)上安裝應(yīng)保證當(dāng)在飛行包線內(nèi)任一時(shí)刻發(fā)生故障時(shí)不會導(dǎo)致操縱線系故障和危害直升機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸。

2.1.2 操作設(shè)計(jì)考慮

操作設(shè)計(jì)是對操作功能的規(guī)定，應(yīng)在總體設(shè)計(jì)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(yīng)操作簡便、平穩(wěn)、確切，并符合其功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡單直接且有防差錯設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，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(shí)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(yīng)具有獨(dú)立性。操縱系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系應(yīng)一一對應(yīng)。

（4）每個(gè)線系通道應(yīng)設(shè)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)鎖在正常或忘記操作時(shí)其功能應(yīng)滿足條款29.679要求。

2.1.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)考慮

強(qiáng)度設(shè)計(jì)考慮操縱系統(tǒng)在限制載荷及極限載荷下的強(qiáng)度校核，對于操縱系統(tǒng)，分別計(jì)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(yán)酷的臨界載荷狀態(tài)對操縱系統(tǒng)的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下計(jì)算應(yīng)力不會超過強(qiáng)度極限，且不會發(fā)生失穩(wěn)。符合性驗(yàn)證涉及29.301、29.305、29.307、29.391、29.395、29.397、29.399等對強(qiáng)度、剛度和耐久性的要求。需同時(shí)考慮29.675（c）止動器條款的強(qiáng)度要求、29.613材料強(qiáng)度性能如壓縮、拉伸、剪切極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等材料的設(shè)計(jì)值的要求。

2.1.4 安裝設(shè)計(jì)考慮

安裝設(shè)計(jì)應(yīng)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(diǎn)應(yīng)安裝在機(jī)體結(jié)構(gòu)承力部件上，應(yīng)使力的傳遞最直接，并且應(yīng)盡量安裝在機(jī)體原有承力構(gòu)件上，以減小重量代價(jià)。

（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(yīng)與座椅、儀表板的位置與形狀相協(xié)調(diào)，并與標(biāo)準(zhǔn)的駕駛員身材尺寸相協(xié)調(diào)，應(yīng)適應(yīng)不同身高的駕駛員（150~183 cm）無阻擋地做全行程運(yùn)動。

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

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

2.1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮

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

（1）29.307（b）（3）規(guī)定的操縱系統(tǒng)操作試驗(yàn)需按條款29.683開展，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確試驗(yàn)狀態(tài)、力正負(fù)的判定、施加在各操縱桿上載荷的大小和方向等，試驗(yàn)過程分別操作操縱器件，對系統(tǒng)進(jìn)行卡阻、過度摩擦和過度變形等進(jìn)行檢查和評估。根據(jù)29.683的要求，應(yīng)在鐵鳥臺架進(jìn)行相關(guān)操作試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷應(yīng)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(yàn)需按條款29.681開展，進(jìn)行操縱系統(tǒng)載荷和強(qiáng)度分析，在對作角運(yùn)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(shè)計(jì)考慮

系統(tǒng)關(guān)鍵零部件、緊固件、交聯(lián)操縱裝置、設(shè)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(jìn)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(xiǎn)分析。應(yīng)根據(jù)功能危險(xiǎn)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(jìn)行分類，形成評估災(zāi)難性功能故障、危險(xiǎn)的功能故障、嚴(yán)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(shù)要求，就需要制定專用條件。如BELL 525直升機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)，需要有操縱指令信號完整性設(shè)計(jì)考慮、系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)交聯(lián)考慮等專用條件。

2.2 驗(yàn)證思路

根據(jù)適航要求指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)型及設(shè)計(jì)特征，確定圖紙、技術(shù)規(guī)范及其清單、滿足強(qiáng)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(shè)計(jì)資料，是進(jìn)行制造檢查的依據(jù)。對系統(tǒng)/設(shè)備驗(yàn)證的過程形成試驗(yàn)大綱、計(jì)算或分析報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告等，形成驗(yàn)證資料。

操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證模型如圖2所示，技術(shù)路線采用的是雙流程模式，即自上而下的設(shè)計(jì)流程和自下而上的驗(yàn)證流程，其中驗(yàn)證流程包括設(shè)計(jì)驗(yàn)證、制造檢查及系統(tǒng)驗(yàn)證，適用于較為復(fù)雜的系統(tǒng)。

圖2 操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證模型

（1）設(shè)計(jì)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證是通過分析、計(jì)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(shè)計(jì)的檢查過程，其驗(yàn)證結(jié)果表明的是設(shè)計(jì)符合性。

（2）制造檢查

制造檢查是在系統(tǒng)驗(yàn)證之前以確保產(chǎn)品制造與設(shè)計(jì)的一致性為目的而開展的一系列試驗(yàn)件、試驗(yàn)設(shè)備檢查、重要工序檢查以及機(jī)上檢查等活動，驗(yàn)證制造符合性。主要包括兩方面：試驗(yàn)產(chǎn)品構(gòu)型以及設(shè)計(jì)偏離，其檢查依據(jù)是型號設(shè)計(jì)資料。制造檢查是進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的前提，用來表明試驗(yàn)產(chǎn)品符合型號設(shè)計(jì)資料。

（3）系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)驗(yàn)證是通過試驗(yàn)室試驗(yàn)、機(jī)上地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、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(yàn)證系統(tǒng)符合性。系統(tǒng)驗(yàn)證是對設(shè)計(jì)符合性的二次驗(yàn)證過程，其驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)與設(shè)計(jì)驗(yàn)證的結(jié)果具有一致性。

3 某型機(jī)操縱系統(tǒng)審查案例分析

某型機(jī)采用并列式雙駕駛，機(jī)械/液壓助力操縱系統(tǒng)，如圖3所示。操縱系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備清單包括舵機(jī)、剎車球柔鋼索、連桿、手柄、助力器、阻尼器等全部定性為關(guān)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(jī)、主減、發(fā)動機(jī)傳感器、起落架機(jī)輪剎車傳感器等。

圖3 某型機(jī)操縱系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)合格審定基礎(chǔ)考慮

基于操縱系統(tǒng)的工作原理以及設(shè)計(jì)特征和基礎(chǔ)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(gè)過程，應(yīng)至少包含設(shè)計(jì)、安裝、安全性分析和持續(xù)適航等幾個(gè)方面。

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵照設(shè)計(jì)規(guī)范以及適航規(guī)章要求，其計(jì)算和分析過程需經(jīng)適航當(dāng)局批準(zhǔn)。

（2）安裝設(shè)計(jì)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(shè)備，并包含機(jī)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(xiǎn)分析、故障模式影響及危害性進(jìn)行驗(yàn)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(gè)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(yīng)對程序。

3.2 符合性驗(yàn)證工作

根據(jù)操縱系統(tǒng)的審定基礎(chǔ)考慮，結(jié)合圖1，經(jīng)評估，操縱系統(tǒng)的適航符合性驗(yàn)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(yàn)證工作

操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中充分考慮了各項(xiàng)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(shè)計(jì)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)驗(yàn)證的結(jié)果表明的是設(shè)計(jì)（包括設(shè)計(jì)方案、原理、功能等）符合性，某型機(jī)操縱系統(tǒng)采用計(jì)算、分析、模擬等方法：如MC1設(shè)計(jì)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(shù)條件；MC2強(qiáng)度計(jì)算、檢查措施符合性分析；MC3功能危險(xiǎn)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(jī)操縱系統(tǒng)開展系統(tǒng)驗(yàn)證之前對試驗(yàn)件/試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行制造檢查，表明試驗(yàn)產(chǎn)品與設(shè)計(jì)的一致性，如依據(jù)操縱系統(tǒng)限制載荷靜力試驗(yàn)大綱、操縱系統(tǒng)操作試驗(yàn)大綱、飛行試驗(yàn)大綱等對試驗(yàn)件或試驗(yàn)設(shè)備開展試驗(yàn)前的檢查等工作。

3.2.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

某型機(jī)操縱系統(tǒng)的系統(tǒng)驗(yàn)證是對系統(tǒng)的適航性進(jìn)行驗(yàn)證的過程，其驗(yàn)證結(jié)果與設(shè)計(jì)驗(yàn)證的結(jié)果具有一致性，采用試驗(yàn)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(yàn)、疲勞試驗(yàn)；MC5機(jī)上地面試驗(yàn)、操縱系統(tǒng)操作試驗(yàn)；MC6隨機(jī)試飛驗(yàn)證、試飛機(jī)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(jī)逐步走向市場，為確保直升機(jī)安全性，各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流程中加強(qiáng)對適航條款規(guī)章的理解，有助于表明適航符合性和推進(jìn)民用直升機(jī)適航取證工作。本文分析了操縱系統(tǒng)相關(guān)的條款及審定基礎(chǔ)，對民用直升機(jī)操縱系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)要求進(jìn)行解析，提出了操縱系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證思路，能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)操縱系統(tǒng)適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證及推動適航貫穿系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)提供參考。