直升機變高度平飛試飛方法研究

張志銘 邱良軍

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333000）

0.引言

在直升機性能試飛中，平飛占很大一部分比重，通過平飛試飛來得到平飛需用功率，從側面驗證最大爬升率和最佳下滑角對應的平飛速度。為得到全包線范圍內不同重量、高度、溫度處直升機不同速度平飛需用功率，由于溫度無法控制，往往需要選取幾組重量和高度組合進行試飛。國內普遍采用固定高度不同速度往返平飛的試飛方法，試飛過程中隨著燃油的消耗實際重量逐漸降低，換算重量同樣偏離初始換算重量。國外試飛一般給定不同換算重量進行試飛，在飛行過程中隨著燃油重量的降低逐步提高飛行高度，保證換算重量不變。采用保持換算重量不變的試飛方法，一方面可以減少換算重量誤差引入的修正量，另一方面可以減少客觀因素如溫度高度等對試飛工作的限制，提高試飛效率。下面來介紹具體的試飛方法。

1.試飛方法

對于固定的某一型直升機來說，無側滑狀態下平飛需用功率主要取決于平飛速度V、旋翼轉速ω、升降速度、壓力高度Hp、大氣溫度T以及實際重量W。壓力高度和大氣溫度確定密度比σ，升降速度引起的功率差由修正公式給出，簡化后的無量綱公式如下：

P/(σ＊ω3)=f(V,W/(σ＊ω2))

由公式可知，對于旋翼轉速變化的直升機，換算重量取決于實際重量、旋翼轉速和密度比。以某型機為例，旋翼轉速取決于速度和密度比，在飛行過程中，速度是可以控制的，所以換算重量是由實際重量和密度比兩個因素決定的。為了保證試飛過程中換算重量保持不變，實際重量減小時需要減小密度比，即隨著燃油不斷消耗需要提高飛行高度。在實際試飛中，可以給定實際重量和飛行高度；也可以直接給定換算重量和飛行高度，二者都需要在試飛中不斷提高高度來保證換算重量不變。給定實際重量時，換算重量受飛行高度處密度比和飛行速度的影響；給定換算重量時，實際重量受飛行高度處密度比和飛行速度的影響，由于實際重量有重量限制，所以給定換算重量時還需要考慮重量限制[1]。例如，給定換算總量和密度高度時，不同密度高度對應的換算重量的范圍是不一致的；而給定換算重量和壓力高度時，需要根據當天的大氣條件估算出目標高度的溫度、旋翼轉速，計算得到實際重量，此時換算重量范圍由實際重量限制、溫度、飛行速度共同決定。

總之，給定實際重量和換算重量的方法并沒有本質區別，只是換算重量的范圍是隨實際重量限制、高度、溫度變化的。給定實際重量和密度高度時，換算重量同樣確定，且不用考慮超出實際重量的限制，這種方法使用起來更為方便。下面來介紹旋翼轉速固定和旋翼轉速變化不同情況下實際重量和飛行高度的關系。

1.1 旋翼轉速固定

直升機旋翼轉速固定時，換算重量的公式可以簡化為：

此時換算重量只與密度比相關。給定密度高度Hd后，求得密度比σ1，即可根據實際重量算出換算重量。由于飛行中使用的是壓力高度，還需要根據當天的溫度將密度高度轉化為壓力高度。對于給定的換算重量，忽略高度提升帶來的溫度變化的影響，燃油消耗與提升高度呈線性關系。

已知密度高度Hd（m），溫度T0（℃），直升機固定重量W0（kg），燃油重量Wf0（kg），計算過程如下：

通過以上公式求解即可得出燃油重量與壓力高度的關系：

需要注意的是計算過程中假設T0不變，試飛結果表明在壓力高度變化較小時，該假設是合理的，換算重量可以較好的保持在一定范圍。以實際重量6500kg、密度高度5000ft為例，即可給出氣壓高度隨燃油消耗的變化示意圖如圖1所示，方便試飛過程中查找。

圖1 旋翼轉速固定時氣壓高度隨燃油重量變化曲線

在近地面平飛時，無法直接給定密度高度，一般給定離地高度，此時需要給定換算重量，通過當天的地面溫度估算飛行高度處的密度比求得大致實際重量，此時換算重量的范圍和當地溫度相關，換算重量為小重量時，需要密度比較大時實際重量才會不超過限制范圍，即需要較低的大氣溫度。由于氣壓高度與大氣溫度無法確定，初始高度和初始實際重量都需要飛行員給出，此時不能通過查表得到壓力高度隨燃油重量的變化曲線[2]。

1.2 旋翼轉速變化

直升機旋翼轉速變化時，不能再用上述曲線圖來確定目標壓力高度，旋翼轉速受速度、密度比的影響。計算方法如下：

已知密度高度Hd（m），溫度T0（℃），直升機固定重量 W0（kg），燃油重量 Wf0（kg），飛行速度 V0（kt），

對于不同速度和不同燃油重量，即可通過迭代求解得出對應的密度比，再求得壓力高度。旋翼轉速變化時，燃油重量與壓力高度不再是線性關系了。由公式可知，實際重量減小時為保持換算重量不變，σ0＊ω02的值需要減小，但是密度比減小會導致旋翼轉速的增加，使得需要更小的密度比才能保持換算重量不變，即與旋翼轉速固定時相比，同樣的燃油消耗變轉速的直升機需要提高更高的高度來保持換算重量不變。此時T0不變得假設會帶來較大得誤差，還需要引入高度溫度的關系式如下：

該公式成立是基于滿足標準大氣條件的，即高度每升高1000m，大氣溫度降低6.5°。但很多時候大氣溫度變化變化與標準大氣有所偏差。所以對于變旋翼轉速得直升機，在地面無法準確的預估壓力高度隨燃油消耗的變化曲線。例如當離地600ft平飛時，旋翼轉速由100%逐漸增加到105%，壓力高度增加了4000ft，若以溫度T0保持不變來進行計算會帶來很大的誤差。試飛中可以采用手持的電子設備根據溫度來實時進行計算，在這種情況下保持換算重量不變的試飛方法較為煩瑣。

2.試飛結果

對比7500kg、離地高度600ft往返平飛與保持換算重量不變兩種試飛方法的結果，不同速度點處換算重量如圖2所示，兩種方法得到的換算需用功率與真空速的曲線有所差別，保持換算重量的方法可以減少因重量變化引入的修正量，提高試飛數據的精度。

圖2 離地600ft 7500kg兩種試飛方法的結果

3.總結

保持換算重量不變，需要在飛行不斷根據重量變化提高飛行高度，所以對直升機的重量計算以及高度指示有較高的需求，直接影響到換算重量計算的準確。在實際試飛中，受飛行姿態等的影響燃油重量測量可能會出現誤差，對換算重量的計算造成影響。此外，飛行過程中需要不斷提高飛行高度，溫度的估算可能并不準確，同樣會帶來一定的的誤差。如果給定換算重量，還需要根據目標高度和溫度確定實際重量，這部分估算同樣會帶來誤差，想要保持換算總重量在一定的范圍內，需要在試飛前進行充分的準備工作。與傳統方法相比，給定換算重量、在試飛中保持換算重量不變的方法可以減少因換算重量偏離目標點引入的修正量，從而提高試飛的精度。雖然較傳統方法較為復雜，需要根據當天的溫度調整直升機重量、燃油消耗與壓力高度關系圖，試飛前的準備工作較為繁瑣，增加了飛行員的操作量，但從優化試飛效率、提高試飛數據精度來看，這種方法仍然值得采用。