AC311A型直升機加裝傾斜航空相機設(shè)計與分析

俞東鋒 張裕兵 王暉 張有財

摘要：直升機因其低速、機動靈活、起降要求低等特點，在航空測繪等領(lǐng)域廣泛使用，而航空測繪設(shè)備的加改裝也促進了直升機市場業(yè)務(wù)的拓展。本文基于AC311A直升機加裝某型傾斜航空相機的實際工作，對加改裝設(shè)計與分析過程進行說明，為同類型改裝工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：相機；改裝；設(shè)計；分析

Keywords：camera；modification；design；analysis

0 引言

隨著近年來航空測繪技術(shù)的發(fā)展，航空攝影、測繪、地質(zhì)勘探等業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展。航空測繪設(shè)備的加改裝也成為了通航公司打開市場、創(chuàng)造盈利的重要手段。航空測繪工作一般要求精度高、平臺穩(wěn)定、可達性好，所以直升機往往是航空測繪設(shè)備的首選載機平臺。

航測設(shè)備屬于任務(wù)設(shè)備，對于通航公司而言，可以選擇永久改裝或者臨時加裝。高精度的航測設(shè)備維護要求高，維護成本和采購成本均居高不下。出于作業(yè)任務(wù)的多樣性和成本控制考慮，通航公司一般采用臨時加裝的方案，即在有業(yè)務(wù)需求時進行設(shè)備的租賃和快速加裝。這就要求設(shè)備加改裝方案既能滿足安全要求，又能快速拆裝。

本文介紹了AC311A型直升機加裝某型傾斜航空相機的項目工作，對航測設(shè)備臨時加裝的方案設(shè)計需考慮的安全性、功能性和驗證要求等方面內(nèi)容進行重點分析說明。

1 載機介紹

本項目加裝工作所選取的載機平臺為國產(chǎn)AC311A型直升機，這是一款民用高性能多用途輕型單發(fā)直升機，如圖1所示。

AC311A直升機海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境主要性能參數(shù)見表1。

該直升機可靠性高、使用成本低；機體尺寸小、占地面積少，采用滑橇式起落架，可以在復(fù)雜的戶外地形起降。其搭載的高性能發(fā)動機和增強型旋翼，使得該直升機具有優(yōu)異的高原性能和充足的功率儲備，能夠勝任全疆域、多類型作業(yè)任務(wù)。

2 總體方案設(shè)計

總體方案制定工作是項目實施的首要工作，需要對加改裝所要達成的技術(shù)指標(biāo)和功能要求進行統(tǒng)籌考慮，根據(jù)設(shè)備的組成和系統(tǒng)原理，結(jié)合直升機結(jié)構(gòu)特性，對設(shè)備的在機上的整體布局、安裝形式、結(jié)構(gòu)改裝等內(nèi)容進行分析和初步確認。

2.1 相機系統(tǒng)的組成和功能

此次項目選取的傾斜航空相機系統(tǒng)峰值工作功率360W，正常工作功率260W，采用24～28V直流供電，由傾斜相機主機、姿態(tài)控制盒、GSM4000相機云臺、配電盒、鋰電池、姿態(tài)控制盒、航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板、相機控制器、GPS天線、GPS導(dǎo)航顯示器及配套電纜接插件組成。

整個相機系統(tǒng)可以分為4個功能單元，如圖2所示。

a）供電單元

由鋰電池和配電盒組成，給整個相機系統(tǒng)供電；應(yīng)急條件下，經(jīng)過論證分析可行性，鋰電池電源可臨時替換為機上直流電源。

b）導(dǎo)航單元

由GPS天線和導(dǎo)航顯示器組成，提供位置信號，并反饋給飛行員飛行航跡信息。

c）控制單元

由航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板電腦、相機控制器組成。航拍顯示器、飛行監(jiān)控平板電腦由航拍操作員使用，進行設(shè)備控制、監(jiān)控和拍攝效果觀察。相機控制器是整個相機系統(tǒng)的中樞，進行信號的解調(diào)、交互和存儲。

d）拍攝單元

由相機云臺、姿態(tài)控制盒控制和相機主機組成，反饋和控制相機整體姿態(tài)，確保相機鏡頭角度符合拍攝要求。

相機系統(tǒng)整體功能模塊的劃分，也是相機安裝布局設(shè)計的依據(jù)。2.2 相機系統(tǒng)的布局

根據(jù)相機系統(tǒng)的功能單元劃分，可明確功能單元的使用人員和基本安裝要求。

供電單元不存在使用要求，對位置沒有特殊要求，但應(yīng)盡量不影響其他設(shè)備安裝和使用，不影響飛行員的操作和視野。在必要條件下，可能需要轉(zhuǎn)為機上直流供電，應(yīng)靠近操作員和直流電源接口，方便快速轉(zhuǎn)電。

導(dǎo)航單元的顯示器應(yīng)在前艙方便飛行員觀察的位置，同時考慮到AC311A型機單駕駛狀態(tài)為右駕，考慮置其于附近位置。GPS天線需考慮信號遮擋問題，快速加裝時，可考慮機外，也可考慮機內(nèi)信號遮擋較小位置。

系統(tǒng)控制單元由操作員使用，操作員在作業(yè)時應(yīng)在直升機后艙（乘員艙），該控制單元可考慮在后艙乘員座椅位置附近。

拍攝單元需要有足夠的運行空間，同時考慮電磁環(huán)境和相機的體積，采用機外吊裝的形式較為合理。

同類型的傾斜相機系統(tǒng)有類似的安裝參考，如圖3和圖4所示。

AC311A直升機屬于輕型單發(fā)直升機，機體小，重量輕。相機主機如采用內(nèi)部安裝，機身無專用的內(nèi)部吊掛隔框，空間也不足以搭載相機拍攝單元；采用機身側(cè)面的安裝方式，需在結(jié)構(gòu)主承力路徑增加專用承力接頭，且對橫向重心的影響較大，常常需要增加額外的配重掛載進行平衡。

參考該機型加裝光電吊艙、農(nóng)林噴灑、滅火裝置等設(shè)備的安裝形式，采用機腹掛載形式，既可滿足空間要求，也能確保重心可控，相機云臺的安裝也較為簡單。

最終確認整個相機單元布局方案如圖5所示。

導(dǎo)航單元處于右駕駛員位置，便于飛行員觀察。借用儀表板遮光罩螺栓快速固定導(dǎo)航支架，天線位于前風(fēng)擋透明有機玻璃下方位置，信號遮擋小。

供電和控制單元一起固定在后艙左座乘員位置的新增安裝支架上。安裝支架可使用系留鋼索或鉤型螺栓與座艙地板系留環(huán)快速連接，不增加結(jié)構(gòu)更改。配電盒靠近后艙的直流電源插座，應(yīng)急情況下方便取電。

拍攝單元通過安裝支架的快卸接頭固定于滑橇下方，確保重心可控和運動空間足夠。

3 加改裝方案評估分析

加裝方案的評估分析，應(yīng)貫穿于整個項目設(shè)計過程。目前，已有的加改裝項目基本依據(jù)CCAR-21部《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》以及AC-21-AA-2014-36《航空產(chǎn)品設(shè)計更改審定基礎(chǔ)的確定方法》確認評估要求。

出于技術(shù)能力、成本和加改裝效率考慮，“小改”是通航公司加改裝的首選。“小改”要求對民用航空產(chǎn)品的重量、平衡、結(jié)構(gòu)強度、可靠性、使用特性以及對民用航空產(chǎn)品適航性沒有顯著影響；這也是方案制定時的前提。本次傾斜航空相機加裝方案就是基于“小改”的要求制定的。

要注意的是，“小改”是申報程序上的簡化，但絕不是評估和驗證的簡化。評估分析可以遵循AC311A型機的取證基礎(chǔ)CCAR-27部的相關(guān)要求，也可遵循普遍的通用評估分析要求。

“小改”也需要有審定基礎(chǔ)的分析與驗證，在總體方案評估時，可遵循以下內(nèi)容進行分析。

3.1 重量重心分析

遵循“小改”的原則，加裝設(shè)備后的整機重量重心應(yīng)在載機平臺原有的使用包線內(nèi)，避免大量額外的重量重心驗證工作。

重量重心分析應(yīng)進行設(shè)備實際稱重，并根據(jù)作業(yè)時可能遇到的各種極限使用狀態(tài)進行分析和校核，出具單獨的重量重心分析報告。方案評估階段可根據(jù)設(shè)備資料和數(shù)模分析等進行預(yù)估，此次加裝設(shè)備總重量（含安裝支架）為130kg，橫向重心略偏左，縱向重心靠前，分析結(jié)果見圖6和圖7。

圖6和圖7中外包線為載機平臺的重量重心使用包線，內(nèi)包線為設(shè)備加裝后可能使用到的極限范圍，可見此次設(shè)備加裝可控制在原機重量重心包線范圍內(nèi)，無需額外驗證。

3.2 飛行性能與品質(zhì)分析

飛行性能和品質(zhì)，主要影響因素在于氣動外形、操縱系統(tǒng)、動力傳動裝置、旋翼系統(tǒng)，以及重量重心。所以，在“小改”設(shè)計時，盡量避免對這些系統(tǒng)進行更改或產(chǎn)生過大的影響。

得出相關(guān)功率參數(shù)后，可對載機的平飛和爬升性能進行影響評估。計算功率一般要乘以修正系數(shù)，可以簡單認為當(dāng)加裝設(shè)備的的氣動外形較為粗糙或不規(guī)則時，進行保守分析，即得出的功率應(yīng)稍作增加；設(shè)備較為規(guī)則或增加了整流時，計算功率不做增加。因為是在方案評估階段，給出相對合理的飛行試驗的限制和參考數(shù)值即可。

而性能評估最簡化的方法，是根據(jù)同類型加改裝已有的數(shù)據(jù)進行類比借鑒，可認為有效。

此加裝方案評估的結(jié)果是平飛最大速度降低約20kts，推薦的爬升速度情況下爬升率降低約300fpm，這些數(shù)值可作為飛行試驗的參考數(shù)值。同時，因設(shè)備的加裝，應(yīng)對相關(guān)的飛行坡度等進行限制，并且禁止粗猛的操作驗證，以確保安全。

3.3 強度分析

強度分析分為靜強度、疲勞和動力學(xué)分析三方面，具體可以理解為包括結(jié)構(gòu)強度分析、受力布局合理、結(jié)構(gòu)壽命滿足使用、結(jié)構(gòu)設(shè)置不產(chǎn)生共振。最終需出具強度分析報告。

強度分析和設(shè)計時，首要是選材，應(yīng)選用許用的航空標(biāo)準(zhǔn)材料。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點盡量避免焊接、粘接等難以校核和說明的連接方式。一般簡化的強度分析，可只對結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵點進行分析。但必須確認結(jié)構(gòu)的傳力路徑完整，即加裝結(jié)構(gòu)在使用時的各方向載荷都能有效傳遞給機身主體承力結(jié)構(gòu)，而不出現(xiàn)缺少約束的情況。

對于結(jié)構(gòu)分析，遵循載機平臺適用的CCAR-27部《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》，區(qū)分結(jié)構(gòu)安裝位置，通過計算確認關(guān)鍵節(jié)點連接件（螺栓、鉚釘?shù)龋姸饶軌蛟跇O限載荷下不破壞，內(nèi)部載荷要求見表2。

外部結(jié)構(gòu)的載荷根據(jù)實際飛行極限載荷，或者27部C章強度要求（飛行載荷要求）或者27.865條的一些規(guī)定進行制定。

關(guān)于疲勞分析，可根據(jù)關(guān)鍵點的載荷受力進行簡單說明。動力學(xué)特性往往通過仿真分析給出初步結(jié)論，再進行地面試驗和飛行試驗。實際通航加改裝時，在確保結(jié)構(gòu)牢固、安裝可靠、滿足極限載荷要求的情況下，一般直接采用地面運轉(zhuǎn)方式校核動力學(xué)特性即可。當(dāng)然，借鑒類比也是簡單可行的。

3.4 電氣負載分析

電氣負載分析主要針對在機上取電的設(shè)備，確認取電方案的合理性。主要考慮使用電流、峰值電流，以及功率的提取。要求是設(shè)備運轉(zhuǎn)時的電流不會超出機上取電線路的負載限制，設(shè)備在機上的功率提取不會對整機電氣功率裕度產(chǎn)生過大的影響。

此次加裝設(shè)備采用自帶電源，可不考慮此類問題，但應(yīng)確保自帶電源的安全性。

應(yīng)急情況下，設(shè)備可能轉(zhuǎn)為機上取電?？紤]設(shè)備工作功率360W，正常工作功率260W，機上直流電源為24V，工作電流為10～15A，至少確保該直流電源線路具有15A的供電能力。整機在所有設(shè)備打開時剩余電氣功率超3kW，裕度充分。這作為評估項，可作為備份的驗證項目，必要情況下可將驗證結(jié)果納入持續(xù)適航文件等指導(dǎo)性文件中，用于指導(dǎo)設(shè)備使用。

3.5 電磁兼容分析

電磁兼容分析，都需要通過試驗的形式得出相關(guān)結(jié)論。在方案設(shè)計時，應(yīng)保證設(shè)備遠離機上大功率裝置；設(shè)備運行單元遠離機上易受影響的天線、敏感傳感原件等。成品設(shè)備的電纜往往采用屏蔽線，本身具有一定的抗干擾能力，所以合理選取線纜通道是電磁兼容設(shè)計時需要著重考慮的問題。

電磁兼容的試驗和結(jié)果處理相關(guān)要求，可參考適航咨詢通告等。

3.6 其他分析

其他分析則見仁見智，可以綜合參考CCAR-27部的章節(jié)進行影響內(nèi)容選取和評估。此次加裝方案根據(jù)個人工作經(jīng)驗和前期項目類比借鑒，具體參考見表3。

4 結(jié)論

任務(wù)設(shè)備加改裝是通航公司面向市場的必要手段，但通航公司往往出于技術(shù)能力和成本控制考慮，加改裝缺乏規(guī)范性和指導(dǎo)性。本文通過AC311A直升機加裝傾斜航空相機的項目設(shè)計與分析，介紹了航測設(shè)備加改裝方案設(shè)計的一般程序，給出了方案分析評估的要點，為同類型加改裝工作提供參考和必要的安全提醒，歸納如下：

1）加改裝方案，應(yīng)從成本、實施周期、項目定位、驗證難度、后續(xù)驗證工作量和設(shè)備使用功能需求出發(fā)，選取合理的布局和安裝方案，盡量避免對載機平臺的主要系統(tǒng)進行更改，選取成熟的、參數(shù)明確的產(chǎn)品和材料；

2）加改裝雖然要考慮成本和技術(shù)難度，但對基礎(chǔ)的具有普適性的重量重心、飛行性能和品質(zhì)、強度、電氣負載、電磁兼容影響一定要考慮和評估，這是項目方案制定的基礎(chǔ)和必要參考條件；

3）雖然加改裝帶來的對載機運行要求上的更改可以通過指導(dǎo)文件進行說明，但應(yīng)盡量避免增加不必要的限制；

4）項目評估分析應(yīng)不怕麻煩，越充分越好，迭代優(yōu)化需貫穿整個項目實施過程；

5）必要的類比借鑒，是非常有效且實用的加改裝項目設(shè)計和分析方法。

參考文獻

[1] 中國民用航空局. CCAR-27-R2正常類旋翼航空器適航規(guī)定[S].北京：中國民用航空局，2017.

[2] 中國民用航空局. CCAR-21-R4.民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定[S].北京：中國民用航空局，2017.

[3] 張森. AMC5100傾斜航空相機應(yīng)用研究[J].城市勘測，2019，5：47-50.

[4] 郭政，蔣陵平，謝家雨，徐文強，沈峰. AS350農(nóng)藥噴灑裝置的設(shè)計研究[J].機械工程與自動化，2017，6：103-104.

[5] 任可，周彬. R44 II型直升機加裝ADS-B系統(tǒng)的可行性分析[J].航空制造技術(shù)，2015，23：111-113.

[6] 周肖東，楊亞男，余志強，彭澤.基于AS350B3的電力作業(yè)直升機供氧設(shè)備改裝設(shè)計[J].航空維修與工程，2019，5：58-61.

[7] 劉興斌.大功率喊話器系統(tǒng)在直升機上的加裝分析與實施[J].航空維修與工程，2017，3：66-68.

[8] 趙晶，李艷軍，曹愈遠，胡建棟.直升機重要改裝設(shè)計及適航審定研究分析與實施[J].航空科學(xué)技術(shù)，2018，5：8-12.

作者簡介

俞東鋒，工程師，研究方向：直升機試飛管理、試飛設(shè)計與性能分析。