通用飞机反尾旋系统设计技术研究

通用飞机反尾旋系统设计技术研究

胡海波

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）

摘要：飞机反尾旋伞系统是高风险性能科目试飞时重要的安全应急保障系统，其设计成本、可靠性及通用性对通用飞机研制成本和周期影响很大。本文对反尾旋伞系统的主要技术途径进行梳理和分析，获得使用于通用飞机反尾旋伞系统的设计要求，并提出高可靠性、高通用性、低成本和短验证周期的反尾旋伞系统的设计建议。

关键词：反尾旋伞系统、研制成本、通用飞机。

1.概述

反尾旋伞系统是在飞机型号高风险的失速特性及尾旋科目试飞时，确保试飞员人身安全及飞机安全的安全应急保障系统。中国民用航空局航空器适航审定司发布的《航空器型号合格审定程序》（AP-21-AA-2011-03-R4）明确要求做尾旋审定飞行试验的所有航空器都应当安装反尾旋伞系统。

十四五以来，国家发展通航产业的决心坚定、政策频出，各地各界发展通用航空的热情高涨，国际知名制造商正加速对中国市场的布局，通用航空市场竞争加剧。为了具备市场竞争力，通用飞机型号对研发成本及研发周期极为敏感，良好的成本控制及准确的市场定位，是通用飞机型号商业成功的关键。

本文从通用飞机研制特点和局方审定要求从适航符合性、系统可靠性等角度对反尾旋系统的设计要求及技术解决途径进行研究，总结通用飞机低成本、高可靠性、高通用性的反尾旋伞系统设计需求。

2.通用飞机反尾旋系统研究

2.1 反尾旋伞系统组成

反尾旋伞系统主要由反尾旋伞、弹射系统、控制装置、结构连接组件等组成。

反尾旋伞主要由主伞、主伞绳、引导伞、引导伞绳及伞包（包括伞衣袋、伞筒、封包线、系顶绳等）。

弹射系统利用化学或物理能量将反尾旋伞弹射到空中，常用的弹射方式包括弹簧弹射、火药发射或火箭牵引等。

控制装置包括开伞控制装置和抛伞控制装置，前者要确保在需要反尾旋系统介入时，能确保及时、可靠的打开反尾旋伞；后者要求能在改出尾旋后，能可靠的抛掉打开的反尾旋伞，以免妨碍后续飞行和着陆。无论采用电子或者机械控制系统，均要求控制装置应满足即在所有自旋条件下都能容易的达到和操作，也能防止因为疏忽而误操作，并且控制装置的操作顺序应使降落伞在展开前不可能误抛。

结构连接组件用于反尾旋伞和机体连接，在满足反尾旋伞载荷传递的同时，也要能尽可能小的破坏原有飞机结构。

2.2通用飞机反尾旋系统设计特点

通用飞机一般在3000m高度以下飞行，进入尾旋后试飞员反应时间和空间均较其他飞机低得多，作为通用飞机尾旋试飞的安全应急保障系统，要求它必须具备以下几方面的性能：

1. 通用飞机在进入尾旋时，在极短的时间内就会降低到安全高度以下，要求反尾旋系统反应敏捷、可靠性高；

2. 控制装置的设置必须满足其在所有自旋条件下都能容易的达到和操作，也能防止误操作，并且应使得降落伞在展开前不可能误抛；

3. 改出尾旋后，反尾旋伞必须能及时的抛放，以免影响后续飞行和安全着陆；

4. 系统重量必须尽可能的轻，体积必须尽可能的小，以尽可能的降低其对飞机气动、结构强度、重量重心的不利影响；

5. 制造、使用和改装成本要尽可能的低，通用性应尽可能的高；

6. 要满足局方对反尾旋系统的结构完整性、可靠性、被无意或非预期地打开或抛放的概率，以及抛伞能力的充分性或冗余性的审查要求。

通用飞机反尾旋系统成本包括制造成本、使用成本、试验成本及适航认证成本，由其开伞/抛伞方式上采用的技术途径直接决定，因为这些技术途径直接决定了其功能可靠性。

2.3 开伞方式研究

2.3.1 引导伞释放方式研究

为降低开伞难度和尽量减小开伞冲击，反尾旋伞系统通常采用先通过外力释放引导伞，然后通过引导伞气动拉力展开主伞的开伞方式。引导伞的释放方式主要分为抛射式和枪式^[1]。

为了确保引导伞可靠的展开，不管用那种释放方式，都必须保证伞沿着机身轴线向后弹射，使其以垂直或反向旋转的方式远离尾部乱流，进入到干净的气流中。

抛射式开伞系统中，引导伞被放置在一个伞袋中，伞袋连带引导伞从伞舱中弹出。当引导伞绳被拉直时，伞袋由于惯性从引导伞上脱开，进而打开引导伞。这种释放方式的优点是引导伞会被迅速的抛离到远离飞机的位置，引导伞缠绕到飞机尾部，或者处于飞机尾部乱流的几率很小，能很好的提高开伞成功率。

枪式开伞系统，这种开伞方式有两种技术途径。一种是先展开引导伞，随后引导伞绳再被拉直（通常被称为“开伞优先”）；另一种是引导伞绳先拉直，然后展开引导伞（通常被称为“伞绳优先”）。

在“伞绳优先”的技术途径^[2]中，引导伞被装入一个独立的伞袋，一个重物（称为“弹头”）被连接到伞袋上。弹头发射后，伞绳被拉直，弹头和袋子从伞袋上扯下，这种方式的优点和抛射式开伞系统一样，其主要缺点是，“弹头”和引导伞在发射时，两者直接的连接线可能不会一直保持张紧，在实际应用中，出现过引导伞和“弹头”在某些情况下会相互环绕翻滚导致开伞失败的情况。将“弹头”更改为射伞火箭可以有效地避免此种情况的出现。

在“开伞优先”的技术途径中，“弹头”被绳子固定在引导伞的顶端，然后“弹头”被发射出去。在引导伞绳拉直前，引导伞就完全膨胀展开。这种方法的主要优点在于：引导伞被强行拉离飞机，缠绕到飞机结构或进入机尾乱流的几率变低；至少在小尺寸的引导伞上，因为“弹头”和引导伞之间连接绳一直处于紧绷状态，最大限度的减少了开伞故障的可能性。但这种技术途径的确定是必须合理的设计“弹头”动能及引导伞之间的连接强度，以避免在引导伞绳完全拉直的瞬间，引导伞承受过重的负荷。在实际应用中，也出现过“弹头”和引导伞之间产生弹性反弹，导致引导伞损坏的情况。

2.3.2 主伞打开方式研究

与引导伞的打开方式相同，主伞的打开方式也可以分为“开伞优先”和“伞绳优先”两种。

“伞绳优先”要求主伞放在在一个设计合理的伞袋中，引导伞将主伞袋从伞舱拉出时，首先拉直主伞绳，再展开主伞。这种方式同样能保证主伞能不被缠绕到飞机结构或进入机尾乱流中。并且，这种方式可以减小引导伞负载，从而减小引导伞的尺寸和引导伞展开系统的性能要求，重量较小。

“开伞优先”方式的主伞直接放置在伞舱中，引导伞将主伞拉出伞舱后，主伞即膨胀展开，最后拉直伞绳。这种方式的主要缺点在于：1）增加了主伞被飞机结构缠绕或进入机尾乱流的可能性；2）主伞伞冠和悬挂线容易纠缠到一起，主伞展开可靠性较低；优点在于，相比“伞绳优先”，需要引导伞产生的拉力较小，且主伞一旦开始展开，主伞本身会提供额外的拉力来完成主伞绳的拉直。“开伞优先”方式可以减小引导伞尺寸及引导伞展开系统的性能要求，重量相对较小。

图1 “伞绳优先”释放方式

图2 “开伞优先”释放方式

2.4 抛伞系统研究

在飞机改出尾旋后恢复正常姿态后，反尾旋伞要能及时的抛放脱离，以免影响影响后续飞行和安全着陆。一般为了能保证抛伞功能的可靠，还在反尾旋主伞和机体之间设计有弱连接结构。弱连接结构设计要求较高，为了使得伞能正常使用，连接强度必须要大于尾旋状态开伞时所能达到的最大冲击载荷，而又必须小于飞机俯冲改平后带伞安全平飞所对应的最大载荷，从而保证能及时抛伞。弱连接结构的强度设计容差要控制很精确，否则无法满足设计要求。反尾旋伞的弱连接结构的可靠性一般要通过多组试验，并且需要在排除离散性、根据统计学的基础上获得其可靠性数据。

NASA在其文献^[1]中重点介绍了一种低成本的抛伞机构，这种抛伞机构很适用于通用飞机的反尾旋伞系统，见图3。这种抛伞机构及配套的伞绳套环以前用于滑翔机释放机构，采用成本很低的钢索操纵方式，已经有几十年的使用记录，已被证明具有很高的可靠性。该抛伞机构也可以在抛伞失败的情况下，多次抛放，相比爆炸螺栓等脱离方式，可靠性更高，其耐久性和可靠性已经得到了FAA和LBA的认可^[3]。

图3 一种低成本的抛伞机构

3.结束语

本文通过对反尾旋伞系统的技术途径和设计要求进行研究，从适航符合性、系统可靠性等角度分析了各种开伞、抛伞方式的优劣性，提出了通用飞机低成本反尾旋系统设计的建议。并通过结合一种已得到应用的通用飞机反尾旋系统的应用情况进行对比，进一步对通用飞机反尾旋伞系统的设计思路进行了分析。

参考文献：

[1] Burk, Sanger M. Jr., Summary of Design Considerations for Airplane Spin-Recovery Parachute Systems; NASA TN D-6866, August 1972；

[2] Bradshaw, Charles F., A Spin-Recovery System for Light General Aviation Airplanes; NASA CP-2127, 14th Aerospace Mechanics Symposium, May 1980；

[3] STR-9 LufttüchtigkeitsforderungenfürSchleppkupplungen。