液压式旋翼刹车适航要求适用性分析.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-60-航空航天液压式旋翼刹车适航要求适用性分析张 松 雷佻钰 王博浩图 1 旋翼刹车装置直升机旋翼刹车能在发动机关车后尽快停止旋翼转动，在强风条件下仍能保持旋翼静止状态。随着技术的进步，越来越多的发动机具有刹车起动能力，即旋翼刹车松开前起动，待达到慢车转速时再松开旋翼刹车，有助于在大风条件下实现直升机起降。旋翼刹车能够有效缩短旋翼的制动时间，同时也能保证地面试验的高效率开展，对操作人员的安全也更有保证。因此旋翼刹车对于直升机的可靠使用、提高安全性能和生存能力有巨大的作用。旋翼刹车有液压式和机械式之分。液压式刹车般包括刹车盘、刹车片、活塞和摩擦装置等；机械式刹车则由连接在传动轴上的刹车鼓轮、刹车操纵杆和刹车垫组成。液压式刹车相对于机械式制动力更大，故障率也较低，常用于载重吨位较大的机型上。但是，由于液压式刹车结构复杂、与其他系统交联等因素，现有的直升机液压式旋翼刹车还存在一些缺陷，比如供压油路缺少保险设计、活塞作动筒油液易被污染、维护工作量大等，同时国产大型民用直升机选用液压式旋翼刹车的案例较少，国内设计人员对其开展适航符合性验证工作的经验也不足，因此需要研究适用的适航条款要求来帮助完善设计，从而满足液压式旋翼刹车高安全性、高稳定性的需求。本文通过分析液压式旋翼刹车潜在的故障失效模式，进而对这些问题梳理中国民用航空规章 29 部（CCAR29 部）中适用于液压式旋翼刹车的条款，解析条款要求和适航审查要点，最后提出液压式旋翼刹车开展适航验证的符合性验证思路和方法，为后续旋翼刹车的设计和取证申请提供参考。旋翼刹车故障分析液压式旋翼刹车中的液压油是一种可燃液体，因此要对装置开展可能渗漏源分析、可能着火源分析和着火危险分析。行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度张 松 雷佻钰 王博浩中国直升机设计研究所-61-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天可能渗漏源分析要对系统管路和零部件的密封性进行考量，确保不会发生有危险的渗漏：可能着火源分析要对所有组件是否会产生火源进行考量，比如高速转动部件是否会产生摩擦火花等；着火危险分析主要是结合液体的可燃特性和工作环境温度考量是否会有自燃的危险。对于液压式旋翼刹车主要是测试刹车盘和刹车块工作后的温度是否达到了液压油的闪点。还需要考虑液压式旋翼刹车的功能和功能组合的故障状态及其对直升机的影响。如果是旋翼刹车的操纵功能失效导致旋翼刹车丧失功能或卡涩，不会导致飞行安全，但可能会影响用户的任务完成；如果是保险功能丧失，则会直接导致旋翼刹车操纵手柄不能进行有效锁紧，从而不能有效地防止飞行员在空中的误操作，影响飞行安全。液压系统主要是给旋翼刹车提供所需的动力。如果不能给旋翼刹车提供液压压力或无法提供正常的压力，由于在空中飞行时不会启动旋翼刹车，因此不会影响飞行安全，但是会增加机组人员的维护工作：如果刹车装置内存在压力，则会影响直升机的安全，不能继续安全飞行和着陆；还需要具备向机电管理系统告警的功能，如果在刹车压力高的情况下无法告警则机组启动后会对整机的完好性造成影响。适用条款要求及解析根据对液压式旋翼刹车潜在的故障及对直升机安全性、机组人员的影响，结合 CCAR29 部梳理了该装置适用的适航条款要求。由于液压式旋翼刹车与液压系统存在交联，因此涉及 29.863-a，b，d 款；对于刹车装置的要求，涉及29.921 和 29.1151；此外在 29.923-i 款中涉及对旋翼刹车验证的试验项目；最后还要考虑 29.1301 和 29.1309-a，b，c，d 条款对旋翼刹车安装及功能的要求。条款内容解析（1）29.863-a，b，d 可燃液体的防火本条款的目的是识别旋翼航空器因可燃液体系统渗漏而逸出的可燃液体或蒸汽，并尽可能降低可燃液体或蒸汽被点燃的概率，或采取防护设计降低着火的危险后果，以提升旋翼航空器的安全性。（a）款适用于所有可能会有可燃液体渗漏的区域。应将所要求的实际保护措施与具体环境联系起来，考虑可燃液体的数量和可燃特性、保护区域的着火容限及机组能够采取的措施。（b）款规定了在用分析或试验的方法表明符合（a）款的要求时应考虑的因素，包括降低着火可能性和降低着火后的危害影响两方面考虑。（d）款规定必须确定航空器上可能会有可燃液体或蒸汽逸出的区域及其范围。（2）29.921 旋翼刹车本条款的目的是防止因刹车阻力对旋翼航空器性能产生有害的影响，确保在使用时因旋翼刹车摩擦着火的可能性减至最小。满足本条款的要求，要制定旋翼刹车的使用限制。相关手册中必须制定旋翼刹车的使用限制及操作程序。还要保证位于驾驶舱内的操纵机构具有防误动设计措施，以避免在飞行中误动。由飞行试验人员进行保护机构的座舱评定，以证实保护机构和刹车的功能是正常的，并且保护机构在锁定和松开位置时不影响驾驶舱内的其它功能。（3）29.1151 旋翼刹车操纵机构本条要求旋翼刹车具有防误动设计，并且在起飞前没有完全松开能够给机组警告。为满足（a）款，应采用对主旋翼较高转速范围或其他飞行参数敏感的锁定装置或由飞行重量调节器控制的液压旁路或锁定装置等，以确保其符合性。如果使用了刹车，也出现告警，且没有立即危及飞行运行，也可认为符合要求。为满足（b）款要求，其中警告装置应在旋翼刹车啮合（包括部分啮合）的任何时刻，提供警告信号。为确保条款符合性，应全面考虑微动开关的振动、温度、湿度和其他环境条件。（4）29.923 旋翼传动系统操纵机构的试验本条要求验证系统在申请人提出的限制内具有正常运行的能力，而无因过度磨损产生故障危险或因机械载荷而造成性能下降。同时也验证整个系统设计的合理性、与其他系统的匹配性和长期工作的可靠性。本条款要求进行一系列试车试验，每次至少（但不限于）10 小时，必须重复 20 次，使总试验时间至少达到 200 小时，其中不包括调整功率需要的时间或那些要求稳定工作状态所需要的稳定时间。试验项目要包括（j）款要求的离合器和刹车机构啮合试验且不少于400 次。（5）29.1301 功能和安装本条对设备安装提出了相应的要求，包括种类和设计与预定的功能相适应、标记标牌、按规定限制安装、安装后功能正常。（6）29.1309-a，b，c，d 设备、系统及安装本条要求设备的设计和安装应保证在各种预期的工作条件下均能正常工作，应进行系统安全性评估，发觉潜在的失效模式以便在设计阶段采取设计措施，系统不安全工作情况应能向机组提供警告。符合性验证方法研究结合梳理出的条款实质要求和工程经验，分析了对于上节适用条款的符性验证思路及方法。（1）采用“设计评审”的符合性方法通过液压系统设计说明报告来阐明旋翼刹车的具体管路布置情况、可燃液体或蒸汽可能逸出的区域，并进一步描述为符合防火要求所采取的可燃液体防火设计措施，表明设计上的符合性，可验证 29.863-a，b，d 款的要求。通过传动总成设计报告对旋翼刹车进行描述，包括其使用限制和防误动设计，可验证 29.921 条款的要求；对旋翼刹车及其操纵机构的设计进行详细描述，充分说明旋翼刹车具有在飞行状态中自动锁定刹车操纵机构的设计和起飞前未松开旋翼刹车机构的告警措施，可验证 29.1151 条款和29.1309-c 款的要求；对系统各部件的功能进行说明，通过设备安装图样、使用资料和系统安装技术条件等资料，表明设备满足标牌和标记要求，并按规定限制进行安装，可验证29.1301-a，b，c 款的要求。（2）采用“安全评估”的符合性方法中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-62-航空航天需要对旋翼刹车所位于的机身上部平台开展可燃液体区域安全性分析来验证 29.863-b，d 款的要求；对液压系统开展功能危险性分析、系统安全性分析以及失效模式及影响分析，来判断液压系统部件能否在预期的环境下执行预期的功能，可验证 29.1309-b，d 款的要求；通过开展传动总成安全性分析，确定系统故障模式及失效概率，判定是否符合本条规定的概率要求，可验证 29.1309-b，d 款的要求。（3）采用“地面试验”的符合性方法在旋翼刹车和液压系统装机后进行机上地面试验，验证装机后各项功能正常，可验证 29.1309-a 款的要求。开展传动系统的地面联合试验，进行 400 次啮合试验，该试验应和整套旋翼及传动系统一起完成，继而进行彻底的拆卸，以检查承受旋翼刹车载荷的所有部件仍然是可以使用的。在执行临界刹车啮合程序时，应测定刹车部件和旋翼传动系统的扭振载荷，并在对这些部件的疲劳评定中作适当考虑，同时评定试验中各项功能是否正常，可验证 29.923-j款和 29.1301-d 款的要求。（4）采用“飞行试验”的符合性方法在旋翼刹车和液压系统装机后进行故障地面模拟或飞行试验，验证在各类预期的运行条件下能完成各项预期功能，可验证 29.1309-a，b 款的要求；开展随机试飞考核，结合试飞机组的评定结论表明旋翼刹车各项功能运行是否正常，可验证 29.1301-d 款和 29.1309-a 款的要求。（5）采用“工程符合性检查”的符合性方法对旋翼刹车操纵机构防误动措施的有效性进行人机功效机上检查，可验证 29.921 条款的要求。（6）采用“设备鉴定”的符合性方法通过旋翼刹车中各部件的设备合格证明，包括部件级的功能、性能、环境试验等，验证功能和性能是否满足指标要求，可验证 29.1301-a 和 29.1309-a，b 款的要求。此外，需要对刹车开展测温试验，严格模拟最临界的刹车条件，对刹车部件的温度进行监控和记录，并分析渗漏的液压油在旋翼刹车时高温条件下着火的可能性，可验证 29.863 条款和29.921 条款的要求。液压式旋翼刹车审查案例分析AC313 型直升机的旋翼刹车系统由辅助液压系统供压，与机轮刹车共用一个蓄压器。通过驾驶舱内的旋翼刹车手柄可以改变旋翼刹车阀的工作状态，输出不同液压压力值以实现不同状态的旋翼刹车。操纵系统包括刹车手柄、刹车保险手柄以及线系、传感器等，可监视液压系统的压力值并具备告警功能。此外，通过火区的导管都密封在钛合金的槽盒内。在液压系统设计说明中，表明了液压系统安装后进行了耐压试验，不存在火源且各部件位于非火区，同时具有良好的通风措施，符合 29.863-a，b，d 款的要求。在旋翼刹车设计说明中，表明了旋翼刹车的原理和组成、操作原理、告警系统介绍和防误动设计，在飞行手册中规定了旋翼刹车使用限制，符合 29.921 条款、29.1151 条款、29.1301-a，b，c 款和 1309-c 款的要求。通过开展可燃液体区域安全性分析，表明了符合29.863-a，b 款的要求。在设计阶段进行了液压系统和传动系统的功能危险分析、系统故障模式及影响分析，根据功能危险分析结果，进行了故障树分析、系统安全性分析，分析结果表明旋翼刹车满足安全性要求，符合 29.1309-b，d款的要求。开展了刹车性能试验，对液压系统使用的工作介质可燃特性进行了分析，进油嘴处的温度低于液压油的闪点，符合29.863-a，b 款和 29.921 条款的要求。通过机上地面试验表明了旋翼刹车符合29.1301-d 款和29.1309-a款的要求。通过旋翼刹车的工作原理、系统构成和主要技术参数基本一致的其他机型的飞行验证结果以及 300 飞行小时的飞行验证试验表明旋翼刹车使用过程中工作性能正常，表明了符合 29.921 条款和 29.923 条款的要求。根据传动系统机上符合性检查大纲对旋翼刹车进行机上检查。检查结果为有旋翼刹车保险手柄、刹车手柄和报警装置，表明了符合 29.921 条款的要求。在运输类旋翼航空器适航规定中提到，应在刹车装置受摩擦部件的表面涂上涂层以便识别和评定接触情况，在该机型的适航验证过程中并未开展。此外，由于刹车起动功能对传动系统的载荷也有一定的要求，在未来的工作中也需要考虑刹车该种情况下对传动系统的符合性验证工作。总结本文梳理了适用于液压式旋翼刹车的适航要求，解析了条款内容和要求，并给出了建议的适航性设计要求和符合性验证方法。又通过具体型号的实例总结了 AC313 型直升机液压式旋翼刹车的符合性验证方法，发现在日前的验证方法中对于旋翼刹车的磨损以及疲劳评定还存在一定的缺陷，同时在验证刹车起动功能对传动系统影响的工作也不够充分，能够为从事民用直升机旋翼刹车设计和适航审定人员提供技术参考。