某型直升機滅火器改裝技術研究

■ 胡凌霄 張一夫 唐凱川/中國民用航空飛行學院新津分院

哈龍1211 滅火劑在民用航空器手提式滅火器中廣泛使用，其滅火效率高、無殘留、無腐蝕。但因其具有高的ODP值（臭氧破壞潛能值）和GWP 值（溫室效應潛能值），各國民航組織和國際機構陸續開始限制其在民用飛機上的使用。聯合國《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》第八版附錄A 中，將哈龍1211、哈龍1301 和哈龍2402 列為限制使用的滅火劑。中國民航局于2018年9 月17 日發布《“打贏藍天保衛戰三年行動計劃”工作方案》，并在2021年11 月25 日頒發適航指令《CAD2021-MULT-80 航空器手提式滅火器使用替代哈龍的滅火劑》，該指令要求2018年12 月31 日后向中國民航局申請國籍登記并首次申請中國民航局適航證的航空器，其配置的手提式氣體滅火器所使用的滅火劑必須是符合《國際民用航空公約》附件6 相關要求的新型滅火劑，包含但不限于2-溴-3，3，3-三氟丙烯（2-BTP）。

我院某型直升機隨機裝配AW003ZE02型手提式滅火器，使用的是哈龍1211 滅火劑，受CAD2021-MULT-80 影響須進行更換。中國民用航空局第二研究所研制的CASRI-3303 系列新型環保滅火器采用的是2-溴-3，3，3-三氟丙烯（2-BTP）滅火劑，已于2018 年11 月8 日取得民航局批準。經研究并經中國民用航空局第二研究所確認，CASRI-3303-04型滅火器符合該型直升機滅火器更換要求。

1 滅火器改裝的設計原則和思路

1.1 滅火器的替代性

2-BTP 滅火效率高，不污染環境，是哈龍1211 滅火劑良好的替代品，從表1 可以看出，2-BTP 的OPD值、GWP 值、ALT 明 顯 優 于 哈 龍1211。

表1 2-BTP與哈龍1211滅火劑的環保性對比

新型滅火器由中國民航局第二研究所研制，采用2-BTP 滅火劑，其中CASRI-3303-04 或CASRI-3303-05型均可替代原滅火器。其中，CASRI-3303-04 型滅火器與原滅火器高度相近，更符合安裝要求。

新型滅火劑灌裝1kg 的2-BTP 氣體滅火劑，比原滅火劑重0.3kg，滿足滅火要求。

新型滅火器在國內灌裝并完成水壓測試，后續保障條件充足。

改裝新型滅火器所需航材均有中國民用航空總局發布的批準放行證書，獲得渠道暢通和便捷。

本改裝為非重要系統的微小改裝，滅火器操作使用方式未改變，且新型滅火器為表盤式，便于檢查。

1.2 改裝對直升機結構重量和氣動外形的影響

1）安裝方式：新型滅火器采用原位安裝，使用原滅火器底座，螺栓和托板螺帽采用原裝支架螺栓和托板螺帽，緊固方式未改變。托板螺帽通過鉚釘與底座連接，螺栓與托板螺帽緊密配合，掉落風險低。

2）靜力試驗：擬安裝的CASRI-3303-04 滅火器及支架重量合計為1.957kg，采用靜力加載試驗進行模擬試驗。對滅火器及支架上、下、側面、前、后分別進行加載試驗，保持載荷時長3s，結構沒有產生損傷和永久變形。

改裝的新型滅火器及支架比原滅火器及支架的重量僅增加0.449kg，改裝涉及的零部件重量對直升機總重量、重心產生的影響輕微，可忽略不計。改裝部位在直升機座艙內，采用原位安裝，對直升機氣動外形無影響。

1.3 改裝對應急使用滅火器和飛行操縱的影響

新型滅火器支架安裝位置和固定方式未改變，改裝的新型滅火器比原滅火器短9mm，直徑小4mm，空間有富余。不影響機組人員對滅火器的應急獲取和使用，也不會影響機組人員的飛行操作及座椅調節。

2 滅火器改裝的結構強度分析

本次改裝僅僅是原位更換滅火器及支架，不會改變原結構的安裝位置和受力方式。

按照CCAR-27 第C 章的強度要求中第27.303 條內容，除非另有規定，外部載荷和慣性載荷的安全系數必須取1.5。同時，根據CCAR-27第27.301條“載荷”（a）條款“強度的要求用限制載荷（使用中預期的最大載荷）和極限載荷（限制載荷乘以規定的安全系數）來規定，除非另有說明，所規定的載荷均為限制載荷”可知，規章中所述的極限載荷均已將安全系數計算在內。

2.1 滅火器及支架靜力試驗

根據CCAR-27 第27.305 條（b）（1）中的要求，需要對直升機的結構進行靜力試驗。試驗要求按表2 載荷進行靜力試驗，要求在3s 內不產生損傷和永久變形。表2 所列載荷系數符合CCAR-27 第27.561 條第（b）（3）款要求，所列載荷系數均為極限載荷系數。根據CCAR-27 第27.301 的規定，該極限載荷系數已涵蓋了安全系數。

2.2 螺栓強度計算

滅火器及支架與底座之間使用螺栓固定。該部位螺栓為原裝件，使用件號為MS27039-1-09 的螺栓進行連接固定。該螺栓為碳鋼制件，直徑為5/16in（1in=25.5mm），采用鍍鎘處理，其抗拉強度為125000psi。

由于在飛行過程中滅火器及支架并不會對螺栓施加沖擊載荷，故按照靜載荷進行強度校驗。表2 所示為各個方向的測試載荷，該測試載荷中向上、向前、向后、向下以及側向的載荷通過4 個螺栓傳遞至滅火器底座，所以對于螺栓的強度要求是能夠承受表2 所示的所有靜載荷。由于底座傾斜放置，相對水平地面呈33°夾角，因此計算各個受力方向相對于底座的最大正應力和切應力。其中，向前、向下、向上以及向后的載荷在螺栓內部產生正應力，向前、向后、側向、向下以及向上的載荷在螺栓內部產生切應力。因此，只需要校驗正應力最大的情況，即向下的靜載荷的徑向分力= 20G×cos33°，再校驗切應力最大的情況，即向前的靜載荷軸向分力=16G×cos33°。

表2 滅火器及支架測試載荷

依據北京航空航天大學出版社2005年版《機械設計基礎下冊》第25 章“強度和剛度設計基礎”中關于強度校核計算的描述：為了保證零件具有適當的強度，避免工作過程中因強度不足而出現失效，需要判斷危險截面處的最大應力（σ，m）小于或等于零件的許用應力（[σ]，[m]），強度條件為：

σ≤[σ]

m≤[m]

式中，σ為危險截面處的最大正應力，[σ]為材料的許用正應力；m為危險截面處的最大切應力，[m]為材料的許用切應力。

4 個螺栓承受的最大正應力為：

σ=F/S=F/（πR2）

式中，F為軸向的最大靜載荷，S為螺栓橫截面面積。由于4 個螺栓的受力情況相同，即最大靜載荷平均分配到4 個螺栓上。

σ=32.878×2.2/[π×（10/32）×（10/32）×4]=58.9psi

螺栓的抗拉強度[σ]＝125000psi，因此σ≤[σ]，即螺栓的正應力測試載荷小于許用正應力。

螺栓的抗剪切強度數據不明，按照鋼材許用切應力與許用正應力的關系[m]=0.6-0.8[σ]，換算后最小允許切應力為75000psi。

4 個螺栓能夠承受的最大切應力為：

m=G/S=G/（πR2）

式中，G為螺栓的切向最大靜載荷，S 為螺栓橫截面面積。由于4 個螺栓的受力情況相同，即最大靜載荷平均分配到4 個螺栓上。

m=26.302×2.2/[π×（10/32）×（10/32）×4]=47.1psi

螺栓的抗剪切強度[m]＝75000psi，因此m≤[m]，即螺栓的切應力測試載荷小于許用切應力。

以上驗證表明， 使用件號為MS27039-1-09 的螺栓進行固定，能夠滿足滅火器及支架安裝的強度要求。

3 滅火器改裝的重量平衡分析

根據改裝實施前空機重量和重心位置，以及改裝設備的重量、安裝站位，計算出改裝后飛機的空機重量和重心位置，結合重量平衡記錄單和重心包線圖，檢驗改裝后空機重量和相應的重心是否在限制范圍內。

直升機空重為2065.3kg（減去發動機滑油并加上不可用燃油和不可用發動機滑油），縱向重心位置為3607mm，縱 向 力 矩 為7450316.5kg·mm， 橫向重心位置為38mm，橫向力矩為79425kg·mm。

改裝實施后重量與力矩變化如表3所示，可見改裝后直升機重心位置基本不變。本次改裝對直升機重量、重心的影響可忽略不計。

表3 改裝重量與力矩變化

4 滅火器改裝的安裝位置分析

滅火器支架及底座圓心位置如圖1 所示。滅火器及支架原位安裝在底座上，支架未預留安裝孔。改裝時鉆取的螺栓安裝孔直徑5.0mm，托板螺帽安裝鉚釘孔直徑2.9mm。在支架及底座相應位置選取4 個圓心，為支架及底座螺栓安裝孔圓心，鉚釘安裝孔位于底座螺栓安裝孔圓心左右水平線上6.5mm 處。此時，支架上部兩個圓心距離最近水平邊約14.5mm，距上邊約44.2mm；支架下部兩個圓心距離最近水平邊約14.5mm，距下邊約52.5mm。底座上部兩個圓心距離最近水平邊約20.0mm，距上邊約10.5mm；底座下部兩個圓心距離最近水平邊約20.0mm，距下邊約10.5mm。支架及底座所鉆取的安裝孔圓心位置均滿足SRM 手冊中孔距、邊距大于2D=10.0mm 的要求。鉚釘安裝孔圓心距離最近水平邊約13.5mm，距離最近垂直邊約11.6mm，均滿足SRM手冊中孔距、邊距大于2D=5.8mm 的要求。

圖1 滅火器支架及底座圓心位置

5 結論

受CAD2021-MULT-80 影響，某型直升機須更換滅火器。本文對更換滅火器的可行性進行了分析。新型滅火器比含有哈龍1211 滅火劑的原滅火器更加環保，對該型直升機的結構、氣動外形和應急使用影響輕微。從結構強度、重量平衡和安裝位置來看，滅火器改裝符合改裝需要，不會對飛行安全造成影響，該型直升機滅火器改裝滿足適航規章的要求。