雙發直升機單發著艦下滑段操控分析

費景榮，吳鐵鋼，曹竹梅

(1.海軍航空兵學院飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國人民解放軍92074部隊，浙江 寧波 350006)

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雙發直升機單發著艦下滑段操控分析

費景榮1，吳鐵鋼2，曹竹梅1

(1.海軍航空兵學院飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國人民解放軍92074部隊，浙江 寧波 350006)

在簡述雙發直升機單發飛行操控原則的基礎上，結合某型雙發直升機單發著艦的具體事例和性能特點，系統分析了對單發著艦最小下滑速度的限制及對艦船合成風的要求，并計算了下降率對直升機功率特性與最小下滑速度的影響；最后結合某型直升機單發著艦的規定，對下滑速度的選擇與下滑軌跡的控制提出了完善建議，并總結了單發著艦操縱的基本原則。

直升機單發著艦；下滑段；操縱方法；飛行安全

0 引言

隨著海軍遠洋護航、爭議島嶼巡航、聯合演習及海上救護等多樣化軍事任務的常態化，艦載直升機伴隨驅逐艦、護衛艦等非航空載艦飛行將日趨繁多。飛行中，發動機供油和進氣不良、機械故障、積冰及防冰系統使用不當等原因都可能造成一發停車；還可能因失火、滑油壓力損失、喘振等原因被迫關閉故障發動機，從而造成單發著艦。

由于非航空艦船甲板面積小，對著艦下滑軌跡準確性要求高，特別是單發飛行中，旋翼轉速隨氣溫、直升機重量、風等條件變化大；發動機使用與正常情況存在區別，保持合理的下滑軌跡難度較大。如某型直升機曾發生一發停車故障，經過三次才最終單發著艦成功。本文擬結合某型機單發著艦的實際，系統分析其單發著艦下滑的操控問題。

1 直升機單發飛行操控概述

直升機單發飛行中，飛行員操控的重點包括旋翼轉速、好發動機狀態及飛行狀態[1]。因為：旋翼轉速過小，直升機會在短時間內掉高度；大速度飛行或小速度下降中，易加劇后行槳葉氣流分離；單發飛行會增加主減速器的負荷。其次，有些單發飛行狀態下的可用功率不足，發動機轉速和扭矩容易超出最大允許值。

從表面看，旋翼轉速變化直接影響飛行狀態和飛行安全，發動機狀態又決定了旋翼轉速和飛行狀態，但從旋翼轉速、發動機狀態、飛行狀態三者之間的內在關聯看，只有合理控制飛行狀態，才能正確使用發動機狀態；飛行狀態與發動機狀態控制好了，旋翼轉速就容易控制；旋翼轉速適當，又有利于飛行狀態和發動機狀態的控制。可見，單發飛行操控中，飛行狀態(主要是下滑速度)是前提和基礎，旋翼轉速是重點。以下從單發著艦下滑的有關限制、要求入手，分析某型直升機單發著艦下滑中的操控問題。

2 對最小下滑速度的限制

單發著艦都以行進著艦的方式進行，因而必須對著艦下滑速度做出限制。某型直升機規定，單發著艦的下滑速度(表速)為70km/h～140km/h[2]。其中，最大速度140km/h接近該機經濟速度，所需功率最小；而最小速度70km/h的限制原因，有關資料沒有介紹，且最小速度對單發著艦安全影響較大，以下做初步分析。

2.1 “同速”平飛進艦對單發著艦最小下滑速度的限制

直升機在陸地單發降落時，到達著陸場地后可直接落地，如某型直升機飛行重量小于11t時，可以做單發垂直著陸。但與之不同的是，單發著艦時，進入甲板過程中直升機需要與艦保持近似“同速”平飛，以便觀察艦船搖晃情況。

上述單發著艦的最小下滑速度70km/h就與“同速”平飛進艦的要求直接相關，其本質是滿足單發平飛所需功率與可用功率的平衡。圖1是某型直升機在發動機緊急狀態和起飛狀態下的單發平飛速度范圍曲線。

圖1 某型直升機在發動機緊急狀態和

圖1表明，該型直升機在標準大氣條件下，發動機在“起飛”狀態，飛行重量10t，單發平飛的最小速度接近60 km/h。

由此可推算，該機若按規定以不大于9.6t的重量做單發著艦，標準大氣條件下的單發平飛最小速度約55km/h，并隨氣溫升高而增大。可見，該機最小下滑速度70km/h能夠滿足進艦過程中“同速”平飛的功率平衡需要，且在較低氣溫下有一定裕量。

2.2 旋翼轉速控制對單發著艦最小下滑速度的限制

某型機單發著艦程序的注意事項指出：根據重量和消速狀態，著艦時增大總距有可能使旋翼轉速減小到80%；如果重量大于10000kg，旋翼轉速會降至低于75%[2]。這表明，單發著艦后段如果速度過小、載重大，上提總距桿易導致旋翼轉速明顯下降。其原因主要包括三方面：首先，上提總距桿，槳葉迎角與旋轉阻力相應增加，而發動機功率的增加相對滯后，會導致旋翼轉速有所下降，這種現象雙發正常時也存在；其次，由于單發著艦后段發動機功率與旋翼總距本來就較大，上提總距桿后進一步增大，而好發功率接近雙發正常時的一半，難以克服較大的旋翼扭矩，導致旋翼轉速下降；再次，上提總距后，短時間內直升機下降率及從氣流中獲取的能量減小，也會導致旋翼轉速下降。如2010年4月9日，某型直升機單發著艦過程中，下滑線后段(距載艦約300m)，高度57m、速度51km/h，飛行員上提總距，旋翼轉速急劇減小，高度很快降到16m左右。

直升機下降過程中，其勢能轉化為旋翼動能，相當于增加了發動機可用功率。以某型機單發著艦為例，直升機重量G=10t，平均下降率Vy=2m/s，則轉化的功率為：△N=G*Vy=266.6馬力。在經濟速度附近，對應的速度變化約為30km/h。

某型直升機經濟速度為100 km/h ～120km/h，考慮到下降率的影響，最小速度70km/h對應的所需功率接近最小功率，因而下滑過程中該速度能滿足旋翼轉速穩定的要求。

2.3 預防渦環對單發著艦最小下滑速度的限制

由于某型直升機懸停時旋翼的誘導速度較大，因而進入渦環狀態的速度也較大，為50km/h，對應下降率Vy≈4m/s。因此，限制單發著艦最小下滑速度為70km/h，也有利于預防單發著陸后段進入渦環狀態。

3 單發著艦對艦船合成風的要求

某型直升機規定：單發著艦時指揮載艦快速形成20°～30°、18m/s～20m/s(側風角30°，逆風分速56km/h～62km/h)的合成風[2]。這包括了“同速”平飛進艦和甲板渦流特性的共同要求。

3.1 “同速”平飛進艦對艦船合成風的要求

“同速”平飛進艦是指直升機接近艦船時，直升機平飛空速與艦船的合成風速接近。

顯然，即便考慮到甲板渦流及機庫遮擋對旋翼效率及所需功率的影響，上述合成風速的逆風分速(56km/h～62km/h)與直升機重量不超過9.6t時能單發“同速進艦”的速度55km/h吻合，也可以說是逆合成風速的最小值。

3.2 甲板渦流特性對艦船合成風速、風向最大值的限制及確定

艦船合成風速、風向還影響到甲板渦流特性、直升機進入甲板后的操穩特性及動態反應。通常，此要求通過具體機-艦組合的“著艦風限圖”體現。某型直升機缺乏“著艦風限圖”，應根據甲板流場規律并結合機型特點分析，確定風速及風向的最大值。

綜合國內風洞試驗和實測結果，艦船甲板流場特性及影響有如下基本結論[3，4]：

1)艦船機庫對甲板流場影響最大；機庫后部的低壓“渦流區”(主要包括下洗區、側洗區)對著艦影響較大。

如圖2a，正逆風時，受機庫遮蔽影響，甲板上方形成較大的下洗氣流區，使旋翼錐體前傾，直升機“前沖”。同時，如圖2b，受低壓“渦流區”影響，靠近艦體一側的氣流向內偏轉，形成側洗氣流區。

圖2 正逆風時甲板上方的下洗區、側洗區

如圖3，逆側風時，迎風一側甲板上空有較強上洗流、側洗流；背風一側有較強的渦流負壓區，直升機易產生搖晃。

圖3 逆側風時甲板上方的上洗流、側洗流

可見，分析甲板渦流特性對艦船合成風速、風向的限制時，應根據機型的氣動、操穩特點，權衡直升機“前沖”和搖晃兩方面的影響。

2)不同合成風速、風向對甲板流場的影響。

風向角β一定，合成風速增加時，流場分布規律變化不大，但渦流強度增強。

β變化時，流場分布規律明顯變化：β=0°，“下洗區”幾乎覆蓋整個甲板。β>30°，“下洗區”不再覆蓋著艦點—有利，但“側洗區”和“上洗區”逐漸增大—不利。

某型直升機著艦實踐證明，20°～30°、18m/s～20m/s的合成風，考慮到了其對上洗流、側洗流及側風的動態反應特性，并權衡了“前沖”和搖晃兩方面的不利影響。

4 直升機單發著艦下滑軌跡的控制

4.1 對某型機單發著艦下滑軌跡控制規定的分析

某型直升機單發著艦軌跡規定如下：進入著陸航向時固定下滑角約15°，高距比約為1:5，下降率約5m/s；飛行速度70km/h～140km/h；高度35m～30m，增大總距減小下降率，控制好下滑角，保持好下滑線[2]。

上述規定的特點是，下滑線高(正常下滑線高距比約為1:10)，總距較小，著艦過程中復飛的余地大。但同時也存在如下不足：一是下降率大，留空時間短，下降過程中旋翼轉速大，且退出下滑或復飛的所需功率大。實際上，各型直升機都對下降率做出了明確規定，如米-171直升機單發下降率不大于3m/s；直九直升機單發正常下滑下降率不大于3.33m/s，單發進場不大于2.5m/s。二是下滑線與正常情況的差別大，飛行員操縱判斷不習慣。鑒于此，以下結合某型機單發性能特點對此問題做一探討。

4.2 下滑速度的選擇與下滑軌跡控制的探討與建議

如前述，某型機在“起飛”狀態，飛行重量10t，在國際標準大氣條件下，單發平飛的最小速度接近60 km/h。可見，該機在上述條件下以70 km/h的最小下滑速度能夠保持平飛，這也得到了單發著艦實踐的證明。

這意味著，該機在單發著艦下滑過程中，在規定的速度范圍內可根據需要調整下降率、高距比。因此，筆者建議，單發著艦時，飛行員可根據當時的重量、氣溫和好發動機狀態，以經濟速度和單發平飛最小速度為參考，試著找出能單發平飛的實際最小速度；然后以大于該速度、接近正常下滑線下滑；在略高出正常拉平的高度，帶桿減速度，并增大總距，減小下降率。這種方法可避免原規定的不足，便于飛行員操縱。

4.3 下滑后段速度過小時對旋翼轉速與下滑軌跡的控制

如前述，單發著艦下滑后段速度過小，特別是大載重時，上提總距桿易導致旋翼轉速與飛行高度在短時間內明顯下降，嚴重威脅飛行安全。因此，應注意前半段保持好下滑參數，為后半段創造好條件。若后半段速度過小、高度偏低時，上提總距桿應非常柔和，以“小臺階”型分段逐步增加。

4.4 單發著艦下滑控制基本原則

上述表明，單發著艦下滑控制基本原則可歸納為：試出最小速度，接近正常下滑線，防止速度、轉速超限。即鑒于性能計算數據的前提條件與實際條件的差異，飛行員應根據當時的條件，以經濟速度和單發平飛最小速度做參考，試出單發平飛的實際最小速度；然后以大于該速度、接近正常下滑線下滑；下滑中防止速度、旋翼轉速小于限制值。

5 結束語

1)單發著艦操控的三個重點是旋翼轉速、好發動機狀態及飛行狀態。其中，飛行狀態(主要是下滑速度)是前提和基礎，旋翼轉速是重點。

2)“同速”平飛進艦，著艦后段旋翼轉速控制及預防進入渦環都對最小下滑速度提出了限制，單發著艦時應注意遵守。

3)“同速”平飛進艦與甲板渦流特性對艦船合成風速、風向提出了限制。單發著艦時應積極創造條件形成規定的艦船合成風速、風向。

4)某型直升機符合單發著艦條件時，按“以大于單發平飛最小速度、接近正常下滑線下滑；在略高出正常拉平的高度，增大總距減小下降率”的方法控制下滑軌跡，較為方便、實用。

5)單發著艦下滑控制基本原則：試出最小速度，接近正常下滑線，防止速度、轉速超限。

[1] 桑雨生.直升機飛行力學[Z].陸軍航空兵學院,2004.

[2] XX直升機特情處置手冊[Z]. 中國人民解放軍92074部隊.

[3] 顧蘊松,明 曉.艦船飛行甲板真實流場特性試驗研究[J].航空學報,2001,22(11).

[4] 趙維義.王占勇.艦船空氣尾流場對直升機著艦的影響研究[J].海軍航空工程學院學報.2007,22(7).

Analysis of Operation of Helicopters’ Single-engine Landing of Twin-engine Carrier-based Gliding

FEI Jingrong1，WU Tiegang2， CAO Zhumei1

(1.Flight Theory Department of Naval Flying Institute，Huludao 125001，China；2. PLA Unit 92074，Ningbo 350006 ，China)

On the basis of sketching the operation principle of helicopters’ of single-engine flying, and combing specific examples and characteristic features of a type of helicopter’s single-engine landing of twin-engine carrier-based, this thesis analyzed minimum gliding speed limitation and requirements of warship synthesis wind of single-engine landing of twin-engine carrier-based flying， calculated rate of desent’s effects on the power and minimum gliding speed. In the end, the author put forward perfect suggestions about choices of gliding speed and control of gliding trajectory combing regulations of a type of helicopter’s single-engine landing of twin-engine carrier-based，summarized basic the operation principle of the single-engine landing of twin-engine carrier-based flying.

helicopters’ Single-engine Landing of Twin-engine Carrier-based； gliding；control method；flight safety

2014-09-25

本文由2012裝計475號課題資助。

費景榮(1966-)，男，山西稷山人，本科學歷，教授，主要研究方向：直升機飛行技術與飛行安全。

1673-1220(2015)04-030-04

V328

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