某型艦載直升機著艦風限圖的計算

章曉冬，侯志強，胡國才，劉志鵬

(1.海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊;b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001;2.總裝備部駐長治代表室，山西 長治 046012)

艦載直升機可以隨艦到任何海域擔任遠海任務，其活動范圍大，能在海上長時間懸停，已被各國廣泛用于軍事領域。不同于陸基直升機，直升機的艦上使用環境比陸上使用環境復雜的多，海上風浪頻繁、氣候多變、艦船航行還會引起相對風力，直升機著艦時存在較大風險［1-3］。為確保艦載直升機的飛行安全，艦載直升機必須進行直升機-艦組合試驗，以便給出直升機的海上使用包線。本文研究不同風向和風速下樣機的平衡特性，并根據樣機的操縱范圍和使用規范制定了直升機艦面懸停風限圖。

1 風向的定義

直升機的地速VK、空速VA與當地風速VW三者的關系為VK=VA+VW，投影到機體坐標系中得:

對假定側風為水平風，定義風速大小為VW，風速方向和地軸系OdXdYdZd中Xd的夾角為ξ，則風速在地軸系的分量:

將式(2)代入式(1)即可得側風條件下體軸系的速度分量，同理可得槳軸系下的速度分量。

2 直升機動力學模型

2.1 基本方程

直升機外力由旋翼、尾槳、平尾、垂尾、機身的空氣動力和自身重力組成，平飛時的平衡方程由直升機上的合力和合力矩為零得到:

式(3)中，下標S、T、H、V 和F 分別表示旋翼、尾槳、平尾、垂尾和機身;G 為直升機重力。? 和γ 為直升機俯仰角和滾轉角。

2.2 旋翼氣動載荷

不考慮槳葉的氣動彈性，假設槳葉是剛性的，槳葉質量沿展向均勻分布，旋翼結構為帶有水平鉸偏置量的鉸接式旋翼。假設當量鉸外伸量為e，第k 片槳葉的揮舞角為βk，方位角為ψk;μ 為前進比;vi為旋翼誘導速度;αs為旋翼平面與飛行速度的夾角;直升機懸停時，槳葉剖面的氣流速度:

式中uP和uT為平行和垂直槳轂平面的氣流速度，上標“-”表示無因次量。

用準定常理論計算旋翼載荷［4］，用Pitt/Peters 動力入流模型推導旋翼的誘導速度，只考慮一階諧波，得:

采用定常入流模型，誘導速度應該滿足以下平衡方程

式(6)中:L 為增益矩陣;CT為旋翼拉力系數;CL為旋翼氣動滾轉力矩系數;CM為旋翼氣動俯仰力矩系數。

槳葉剖面的氣動環境如圖1 所示。

圖1 剖面氣流速度和氣動力

用升力線理論計算槳葉的氣動力，由圖1 可知，槳葉微元的升力和阻力分別為:

式(7)中:ρ 為空氣密度;α 為剖面迎角;a 為升力線斜率;b 為剖面弦長;cd0為阻力系數;u≈uT;α=θ-arctan(up/uT)≈θup/uT。

分解到槳葉坐標系中:

式(8)中，ε=arctan(up/uT)≈up/uT。

將槳葉的氣動力表達式，沿半徑和方位角積分，即可得到槳轂的氣動力和氣動力矩，與其他旋翼力和力矩合成，投影到機體坐標系下，轉換為對機體質心的氣動力和氣動力矩，同理可得尾槳的氣動載荷。機身的氣動載荷(包括垂尾和平尾)由實驗數據計算而得。本文采用牛頓迭代法求解直升機的平衡方程。配平結果如圖2 ～7 所示。

圖2 總距隨風速矢量的變化

圖3 尾槳槳距隨風速矢量的變化

圖4 橫向周期變距隨風速矢量的變化

圖5 縱向周期變距隨風速矢量的變化

圖6 俯仰角隨風速矢量變化

圖7 側傾角隨風速矢量變化

由文獻［5］可知，樣機的操縱范圍如表1 所示。

表1 樣機操縱量范圍

由于艦載直升機著艦環境的特殊性，需要克服紊流和突風，還要進行機動，必須要有一定的操縱余量。文獻［6］規定艦載直升機的操縱余量取10%。可得樣機的安全操縱范圍如表2 所示。

表2 安全操縱量范圍

除此之外，規范要求在有側風起降時，其側風值不能超過一個V'值，即

3 甲板運動模型［7］

艦船的運動使直升機難以準確起降，受風浪的影響，艦船存在6 個自由度，隨著海況等級的提高，其運動響應也會加劇，起主要作用的是橫搖、縱搖和升沉這3 種運動。艦船運動由多階諧波組成，但實際往往由幾個頻率的諧波占主導地位，為簡化起見，使用正弦波疊加的方式來模擬艦船甲板運動［8］，數學模型如下:

式(10)中，Ys、αs和γs分別表示某時刻艦船重心到平衡位置的距離、艦縱搖角和艦橫搖角。

假設艦船重心到著艦區中心的距離為L，樣機后輪之間的距離為2l，那么著艦點升沉的位移量近似為

對式(11)求導，可得著艦點升沉速度

根據軍用直升機飛行品質規范，直升機在著艦時，機身相對甲板的俯仰角和滾轉角不能超過一個特定的值?0和γ0，著艦速度不能大于V0，則有:

式(13)中，Vt為直升機的下沉速度，取決于飛行員的駕駛水平，飛行員的工作負荷與紊流嚴重程度、甲板上的視野和能見度等息息相關。對于我國艦載直升機飛行員來講，中等技術飛行員著艦時下沉速度出現概率最高為0.5 m/s，本文取Vt=0.5。

4 艦面流場模型

海面上的氣流受到船體外殼與艦船建筑物的影響會形成艦面紊流。當艦船在小側滑角來流時，機庫后部的飛行甲板上存在嚴重的下沖氣流;當艦船有一定側滑角時，來流方向一側的艦船外側，存在較大的上沖速度分量，而在艦船內側，垂直風速很小，甚至為下沖氣流［9］。規范規定甲板上垂直氣流速度不大于15 節，用FLUENT 軟件計算某艦艦面流場的分布情況，確定不同風速、不同風向下的流場特性，并將流場速度分布結果結合進風限圖中。

這樣就將飛行員、直升機、艦船運動和風速矢量和艦面流場這幾個獨立的系統聯系在一起，構成了計算理論風限圖的數學模型。

5 理論風限圖

類似艦載直升機著艦時風限圖的確定方法，根據前面的計算分析，僅考慮操縱量的安全范圍，可以得到直升機的陸地懸停風限圖(圖8)。

圖8 陸地懸停風限圖

因為后側風較大時，直升機增加俯仰角同時也增大了迎風面積，很容易撞到機庫上，所以直升機著艦時應盡量避免后側風;另外考慮艦船運動時，縱搖角、橫搖角和升沉速度均取最大值。綜上，可以得到直升機的艦面懸停風限圖(圖9)。

圖9 艦面懸停風限圖

6 結論

由配平結果可知樣機的抗側風能力主要由尾槳決定，同時也受橫向周期變距和總距的影響;由圖8 的形狀可知樣機抗左側風性能較好，決定了著艦時必須從左舷進入;由圖9可知風限圖左邊的風速值大于右邊，左右兩側的差別隨著角度的增大而減小，因為角度的增加使機庫后方渦流區域減小，導致了左右兩側風況差異變小。另外，直升機著艦時應選擇艦船運動幅值較小的“靜息期”待機著艦，本文計算時選取了著艦最危險的情況，導致了ξ 對應的最大風速值偏小。

本文將側風、艦船運動和艦面流場相結合，計算了直升機的著艦風限條件，計算結果對海軍艦載直升機駕駛員培訓及艦載飛行的安全有一定指導意義。因資料有限，本文在仿真過程中未考慮對直升機的控制，僅做了無控制下的動力學分析，下一步應對飛行控制理論加以考慮。

［1］李軍亮，胡國才，王浩.側風對艦載直升機懸停性能的影響［J］.海軍航空工程學院學報，2010，25(2):129-132.

［2］林河泉，高正.直升機/艦配合問題的探討［C］//艦載直升機文集.景德鎮:出版者不詳，2006.

［3］胡國才，文忠柯.艦載直升機［Z］.煙臺:海軍航空工程學院，1997.

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［5］普勞蒂·R·W.直升機性能及穩定性和操縱性［M］.高正，譯.北京:航空工業出版社，1990.

［6］趙維義，劉航，傅百先.艦載直升機風限圖及其試飛［J］.飛行力學，2002，20(4):48-50.

［7］王存仁，朱玉兵.直升機-艦船組合風限圖計算方法研究［J］.飛行力學，1996，14(1):36-41.

［8］郭署山.無人直升機著艦控制技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010.

［9］趙維義，王占勇.艦船空氣尾流場對直升機著艦影響研究［J］.海軍航空工程學院學報，2007，22(4):435-438.