直升機(jī)縮比模型水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)研究

陳 暘，陳立霞，汪正中

(1.中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 科技發(fā)展部，北京 100000；2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)水上迫降是指按陸基要求設(shè)計(jì)的直升機(jī)在水面上空飛行，遇到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障或燃油用盡，應(yīng)急降落在水上，機(jī)組和乘員安全撤離直升機(jī)的過程。水上迫降是保障安全的最后一道防線，是設(shè)計(jì)中必須首先解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。適航規(guī)章[1]和國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[2]要求在離岸50海里水上使用的航空器，為了保證人員和設(shè)備的安全，必須滿足水上迫降的要求。

水上迫降適航審定包括四個(gè)主要方面：旋翼航空器入水、旋翼航空器漂浮和配平、乘員撤出、乘員救生。漂浮與配平性能應(yīng)在從零到申請(qǐng)人選定的最高海況范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，在臨界的重量和重心組合情況下，應(yīng)有足夠的漂浮時(shí)間保證人員的安全撤離，而不會(huì)發(fā)生傾翻。由于直升機(jī)的機(jī)身較窄，垂向重心較高，直升機(jī)在水中穩(wěn)性不好，在風(fēng)浪的聯(lián)合作用下，更容易傾翻，因此必須研究直升機(jī)的水中橫向靜穩(wěn)性，即研究直升機(jī)傾斜后產(chǎn)生恢復(fù)力矩以阻止其傾覆的能力。

汪正中[3]采取等排水體積法計(jì)算了AC313的水中橫向穩(wěn)性曲線，與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性較好；李磊[4]通過maxsurf商業(yè)軟件解決了船舶在復(fù)雜海況里的漂浮特性難題，分析了測(cè)體位置和規(guī)則波參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響；P.Taylor[5]針對(duì)返回艙入水問題提出了一種新的方法，基于有限元模型的返回艙可以快速地旋轉(zhuǎn)到用戶自定義的狀態(tài)，進(jìn)行迭代計(jì)算得出相關(guān)的浮力中心和力矩，輸出穩(wěn)定性曲線；王明振[6]采取建模、軟件計(jì)算和試驗(yàn)三種方法分析了完整穩(wěn)定性，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果做了相關(guān)性分析。20世紀(jì)80年代，韋斯特蘭航空公司針對(duì)EH101型直升機(jī)開展了縮比模型漂浮試驗(yàn)[7]。

試驗(yàn)是研究直升機(jī)水中橫向穩(wěn)性的重要手段。本文主要介紹了直升機(jī)水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)件、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)步驟，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。該試驗(yàn)技術(shù)可用于直升機(jī)縮比模型水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)，為民用直升機(jī)的水上迫降適航取證提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)施簡介

1.1 試驗(yàn)技術(shù)要求

直升機(jī)水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)主要是測(cè)量模型橫傾不同角度時(shí)的恢復(fù)力矩，得出恢復(fù)力矩與橫傾角之間的關(guān)系曲線。當(dāng)模型(帶浮筒)漂浮在平靜的水面上時(shí)，將模型橫傾至指定角度；當(dāng)模型穩(wěn)定漂浮在該橫傾角度后，記錄模型受到的恢復(fù)力矩。試驗(yàn)過程中保證模型在垂直方向的漂浮自由與模型的俯仰自由。試驗(yàn)技術(shù)要求如下：

1)靜穩(wěn)性試驗(yàn)方案及試驗(yàn)裝置應(yīng)能在規(guī)定的一系列滾轉(zhuǎn)角和不影響直升機(jī)模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)條件下，測(cè)量直升機(jī)模型的恢復(fù)力矩；

2)測(cè)試設(shè)備滿足測(cè)試精度等要求。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)上述要求，水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)需要研制一套試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)得出恢復(fù)力矩與滾轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線。模型與水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)裝置的安裝及坐標(biāo)定義見圖1。試驗(yàn)裝置水箱的空間尺寸應(yīng)能滿足模型在安裝浮囊后的外形尺寸(及翻滾空間)要求。

為了固定模型的滾轉(zhuǎn)角，在模型重心所在軸線位置設(shè)計(jì)一根轉(zhuǎn)軸，通過法蘭盤與試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸相連接。在轉(zhuǎn)軸前段安裝分度盤，實(shí)現(xiàn)模型滾轉(zhuǎn)角的固定；安裝扭矩傳感器，測(cè)量模型在不同滾轉(zhuǎn)角下的恢復(fù)力矩；采用光纖慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量模型姿態(tài)角。

為實(shí)現(xiàn)模型垂向的自由浮動(dòng)，在水箱兩端開槽，在U型槽設(shè)計(jì)了直線軸承，可實(shí)現(xiàn)模型的自由漂浮。為了消除分度盤、扭矩傳感器等設(shè)備重量對(duì)模型俯仰角的影響，在試驗(yàn)水箱前段設(shè)置定滑輪裝置，在其另一端加配重，從而抵消測(cè)試設(shè)備對(duì)模型重量及俯仰角的影響。

圖1 模型與水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)工裝

根據(jù)試驗(yàn)方案，研制了試驗(yàn)工裝，具體見圖2。主要包括模型試驗(yàn)水槽、扭矩傳感器、直線軸承、角度分度盤、質(zhì)量配平裝置、主軸、導(dǎo)軌等部分。

圖2 橫向靜穩(wěn)試驗(yàn)工裝

1.4 主要測(cè)試儀器清單

本試驗(yàn)所用測(cè)試、測(cè)量設(shè)備均校驗(yàn)合格，滿足試驗(yàn)的要求。主要測(cè)試、測(cè)量設(shè)備的名稱、精度和數(shù)量見表1。

2 試驗(yàn)件

2.1 模型設(shè)計(jì)依據(jù)

以某型直升機(jī)(安裝應(yīng)急漂浮系統(tǒng))三維理論外形作為模型外形設(shè)計(jì)依據(jù)，按Froude數(shù)進(jìn)行模擬，從而使模型滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，在模型上加裝測(cè)試設(shè)備后，能通過調(diào)節(jié)配重將模型重量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量調(diào)整至要求的典型狀態(tài)。

在滿足上述相似準(zhǔn)則的情況下，依據(jù)模型加工的簡易性、模型是否有足夠的空間安裝試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備、配重及試驗(yàn)設(shè)施的能力和試驗(yàn)要求等要求，來確定模型縮放比例λ值。試驗(yàn)件最終確定為直升機(jī)的1：5縮比模型。

表1 主要測(cè)試、測(cè)量設(shè)備的名稱、精度和數(shù)量

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

縮比模型主要包括機(jī)體縮比模型和浮筒縮比模型，其參數(shù)符合原機(jī)按照縮比比例(λ=1/5)關(guān)系換算后的結(jié)果，模型重量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量見表2，模型外形見圖3。

3 試驗(yàn)步驟

1)按照試驗(yàn)狀態(tài)要求，對(duì)模型重量、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行調(diào)配，填試驗(yàn)記錄表；

2)將模型與水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)設(shè)備連接；

3)調(diào)整模型的滾轉(zhuǎn)角至設(shè)定值，并使其自由漂浮于水面，接通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)，手工記錄扭矩傳感器恢復(fù)力矩值；

4)保存(記錄)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并生成曲線；

5)改變模型的滾轉(zhuǎn)角，按3)、4)進(jìn)行下一個(gè)狀態(tài)的試驗(yàn)，直至完成所有要求滾轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)；

6) 打撈模型，退回試驗(yàn)準(zhǔn)備場地；

7)檢查模型，更改模型的試驗(yàn)狀態(tài)，重復(fù)步驟1)-6)條進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 模型重量重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

圖3 模型實(shí)物

4 試驗(yàn)結(jié)果

水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)中滾轉(zhuǎn)角定義為：從機(jī)尾向機(jī)頭看，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理，濾波頻率為50Hz。測(cè)試參數(shù)為時(shí)間(s)、恢復(fù)力矩M(N·m)、俯仰角θ(°)、滾轉(zhuǎn)角φ(°)、試驗(yàn)水溫t(℃)。

水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)狀態(tài)見表3，各試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力矩變化曲線見圖4。

由圖4可知，兩個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)下，均在20°左右，模型恢復(fù)力矩達(dá)到極值，約為180N·m左右。試驗(yàn)1恢復(fù)力矩與滾轉(zhuǎn)角基本呈反對(duì)稱關(guān)系，模型右傾恢復(fù)力矩大于左傾恢復(fù)力矩，這是由于模型重心偏左所致。試驗(yàn)2恢復(fù)力矩與滾轉(zhuǎn)角不呈反對(duì)稱關(guān)系，模型左傾恢復(fù)力矩的絕對(duì)值大于右傾恢復(fù)力矩，這是由于氣囊單隔艙失效，左側(cè)氣囊體積減小導(dǎo)致的。在滾轉(zhuǎn)角-10°～10°之間，恢復(fù)力矩與滾轉(zhuǎn)角基本呈線性關(guān)系，說明氣囊是否隔艙失效對(duì)小滾轉(zhuǎn)角下的恢復(fù)力矩影響不大。

表3 靜穩(wěn)性試驗(yàn)狀態(tài)

圖4 不同試驗(yàn)狀態(tài)恢復(fù)力矩變化曲線

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方案和試驗(yàn)過程，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，可得到以下結(jié)論：

1)某型直升機(jī)恢復(fù)力矩的最大值在滾轉(zhuǎn)角20°左右，恢復(fù)力矩最大值與模型橫向重心有關(guān)；

2)完整狀態(tài)某型直升機(jī)的恢復(fù)力矩與滾轉(zhuǎn)角基本呈反對(duì)稱關(guān)系；

3)氣囊隔艙失效對(duì)小滾轉(zhuǎn)角(絕對(duì)值小于10°)下的恢復(fù)力矩影響不大；

4)該試驗(yàn)技術(shù)可用于直升機(jī)模型水中橫向穩(wěn)性試驗(yàn)。