AC313直升機旋翼換裝某直升機液彈阻尼器分析

舒 航，李建偉，覃海鷹，王 鑒，雷少保

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.陸航駐景德鎮地區代表室，江西 景德鎮 333000)

0 引言

“地面共振”是直升機在地面開車或滑行、滑跑時，由于旋翼槳葉的基階擺振后退型運動和機體在起落架上的振動相互耦合而產生的一種動不穩定性運動——自激振動[1]。在該振動系統中，旋翼和機體形成了閉環系統，且該振動極易發散，發生所謂“地面共振”。一旦發生“地面共振”，幾秒鐘內便可使旋翼槳葉擺振和機體振動的振幅達到毀壞直升機的程度。因此在直升機動力學問題研究中，“地面共振”成為了相關學者重點研究的問題之一[2]。

為抑制“地面共振”現象發生，保證直升機的穩定性，最直接有效的方法是為直升機旋翼提供足夠的阻尼，從而增加系統阻尼，消除不穩定性[3]。目前國內現有的直升機旋翼阻尼器大多為液壓或粘彈阻尼器。液壓阻尼器利用油液流經薄壁小孔產生阻尼，具有阻尼可調節的優點，但所采用的動密封件設計要求高，結構復雜、維護難、不易防泄漏[4]；粘彈阻尼器具有調節槳葉一階擺振頻率的優點，但是受到粘彈材料的約束，能提供的阻尼有限[5,6]。液彈阻尼器在液壓阻尼器的基礎上增加了彈性剛度，兼具兩種阻尼器的優點，為槳葉擺振運動提供合適的約束剛度來調節槳葉擺振頻率，具有阻尼可調節、可靠性高等優勢[7-9]。

AC313直升機旋翼采用液壓阻尼器，為滿足直升機全機動力學要求，尤其是防止直升機“地面共振”的需要，需提供較大的阻尼，從而導致對阻尼需求不高的直升機飛行中產生較大的結構載荷。鑒于液彈阻尼器可調節槳葉一階擺振頻率，降低阻尼需求，具有降低直升機飛行中產生結構載荷的可能[10]。本文以AC313直升機旋翼為研究對象，以某直升機旋翼液彈阻尼器實測數據為依據，進行了直接換裝某直升機旋翼液彈阻尼器的可行性分析，得出了AC313直升機旋翼換裝某直升機液彈阻尼器可有效降低旋翼結構載荷的結論。

1 阻尼系數對比分析

根據直升機動力學原理，地面共振臨界狀態下擺振阻尼和機體阻尼關系如式(1)所示:

(1)

對于正弦周期變化的阻尼力，其單個周期內耗散功為：

(2)

其中，WT為阻尼器1個周期耗散功；ω為槳葉擺振頻率；A為活塞運動幅值。

由式(1)可得液壓阻尼器與液彈阻尼器需用阻尼之比，如式(3)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

上式中，mdr為槳葉任意位置上的質量微元；m為槳葉線密度；e為擺振鉸外伸量；R為槳葉長度。

(7)

將式(4)、式(5)、式(6)、式(7)代入式(3)可得式(8)：

(8)

由式(8)可得式(9)：

Cb2

(9)

由式(9)可知，在保證直升機動力學穩定性的前提下，采用液彈阻尼器的臨界阻尼需求小于安裝液壓阻尼器的臨界阻尼需求。

根據某型機液彈阻尼器性能實測數據，其彈性剛度為2520N/mm，計算出在保證一定穩定性裕度的前提下AC313直升機旋翼分別采用液壓阻尼器和液彈阻尼器的臨界阻尼系數，利用某型液彈阻尼器樣件實測數據，采用速度等效原理插值計算出26mm幅值、地慢轉速2.2Hz和旋翼正常轉速下的阻尼系數。圖1為旋翼低轉速狀態下，阻尼器活塞運動幅值26mm時的阻尼系數及臨界阻尼系數。可以看出，兩種阻尼器阻尼系數及臨界阻尼系數隨轉速增加而降低；旋翼低轉速狀態下，某型機液彈阻尼器阻尼系數低于液壓阻尼器，高于臨界阻尼系數。圖2為旋翼正常轉速(3.5Hz)狀態下的阻尼器阻尼系數及臨界阻尼系數。可以看出，兩種阻尼器阻尼系數隨著幅值的增大而減小；某型機液彈阻尼器阻尼系數低于液壓阻尼器，高于臨界阻尼系數。

圖1 頻率-阻尼系數

圖2 幅值-阻尼系數

根據分析可以認為，AC313直升機旋翼直接換裝某型機液彈阻尼器能夠保證旋翼擺振阻尼具有足夠的穩定性裕度。

2 載荷對比分析

阻尼器桿端載荷是進行阻尼器及相關旋翼結構工程設計的重要指標之一。直升機槳葉的擺振運動可視為帶阻尼的強迫振動。由于槳葉擺振外激勵主要由氣動力和慣性力引起，與阻尼器關系不大，因而換裝阻尼器前后，可認為旋翼擺振外激勵不變。

圖3 槳葉擺振運動

由于直升機槳葉擺振外激勵難以直接測得，本文利用旋翼工作轉速(3.5Hz)下的液壓阻尼器實測數據結合旋翼系統相關參數，反向計算出槳葉對應狀態下的擺振激勵載荷，再利用此激勵載荷計算出安裝液彈阻尼器后的桿端載荷。

2.1 擺振角分析

旋翼擺振運動實際為彈簧-阻尼系統的受迫振動，根據牛頓第二運動定律，可得式(10)：

(10)

其中，Iξ為槳葉繞擺振鉸的質量慣距；Cb為繞擺振鉸等效阻尼系數；ξ為槳葉擺振角度，且ξ=ξ0sin(ωt+Ψ)；ω為外激振力頻率；M為繞擺振鉸激勵，且M=M0sin(ωt+Φ)；Kξ為等效離心力剛度，由槳葉離心力提供，如式(11)所示；KD為繞擺振鉸的等效彈性支撐剛度，安裝液壓阻尼器時KD為0。

(11)

此時旋翼的擺振基階固有頻率為：

安裝液壓阻尼器

(12)

安裝液彈阻尼器

(13)

則可求得槳葉擺振角ξ為：

(14)

2.2 阻尼器載荷計算

槳葉擺振角分靜態和動態兩部分，對應液彈阻尼器載荷包括動載和靜載，其中靜載由靜變形引起。

對于槳葉靜態擺振角，根據牛頓第二定律有：

(Kξ+KD)ξJ=MQ

(15)

其中，ξJ為槳葉后擺角；MQ為氣動阻力產生的等效靜態力矩，與阻尼器無關；離心力等效剛度Kξ與阻尼器無關，安裝液壓阻尼器時等效彈性支撐剛度KD為0。

因而，可通過原狀態槳葉后擺角計算出后擺角來計算出換裝液彈阻尼器后的靜態后擺角。

此時，液彈阻尼器靜載荷FJ為：

FJ=kDAJ

(16)

其中，AJ為彈性體靜變形。

液彈阻尼器產生的動載荷為：

(17)

其中，彈性載荷：

F彈性=kDAD

(18)

阻尼載荷：

F阻尼=C液彈V=C液彈ADω

(19)

其中，C液彈為液彈阻尼器阻尼系數，AD為液彈阻尼器動態幅值。

由于機體旋翼結構固定，活塞運動位移幅值與槳葉擺振角度成正比。將液彈阻尼器參數和AC313直升機旋翼系統參數代入計算，可得換裝液彈阻尼器后桿端載荷，如圖4所示。圖中，橫坐標為阻尼器運動幅值，曲線分別為換裝前后不同運動幅值下的阻尼器載荷。可以看出，旋翼正常轉速下，兩種阻尼器載荷均隨擺振幅值增大而增大；幅值小于3.5mm時，液彈阻尼器的動載荷低于液壓阻尼器動載荷；幅值大于3.5mm時，換裝液彈阻尼器的動載荷大于對應原狀態動載荷；當幅值為10mm時，液彈狀態動載荷為對應原液壓狀態的2.5倍。

圖4 幅值-載荷

根據AC313直升機飛行載荷譜計算結果，液壓阻尼器活塞運動幅值小于3.3mm的飛行狀態占總狀態的99.98%。由于預掠角的作用，槳葉靜態擺振角一般不大，考慮飛行譜的加權平均靜態擺振角更小，換裝某型機液彈阻尼器產生的靜載荷也很小。經分析，換裝某型機液彈阻尼器產生的加權平均靜載荷為9.8kN，結合前述液彈阻尼器與液壓阻尼器動載荷對比分析結論，換裝某型機液彈阻尼器能有效降低AC313直升機大部分飛行狀態下的阻尼器產生的載荷。

3 結論

對比原液壓阻尼器和某型機直升機液彈阻尼器的相關性能，得出如下結論：

1) AC313直升機旋翼換裝液彈阻尼器，提高了槳葉擺振固有頻率，降低了直升機臨界狀態需用阻尼，可有效防止“地面共振”的發生，滿足動力學穩定性要求；

2) AC313直升機旋翼直接換裝某直升機液彈阻尼器可有效降低大部分飛行狀態下的載荷，有利于提高相關結構件的壽命。