直升機縮比模型水中橫向穩性試驗研究

陳 暘，陳立霞，汪正中

(1.中國航空工業集團有限公司 科技發展部，北京 100000；2.中國直升機設計研究所 直升機旋翼動力學重點實驗室，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機水上迫降是指按陸基要求設計的直升機在水面上空飛行，遇到發動機發生故障或燃油用盡，應急降落在水上，機組和乘員安全撤離直升機的過程。水上迫降是保障安全的最后一道防線，是設計中必須首先解決的關鍵技術問題之一。適航規章[1]和國家軍用標準[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。漂浮與配平性能應在從零到申請人選定的最高海況范圍內進行驗證，在臨界的重量和重心組合情況下，應有足夠的漂浮時間保證人員的安全撤離，而不會發生傾翻。由于直升機的機身較窄，垂向重心較高，直升機在水中穩性不好，在風浪的聯合作用下，更容易傾翻，因此必須研究直升機的水中橫向靜穩性，即研究直升機傾斜后產生恢復力矩以阻止其傾覆的能力。

汪正中[3]采取等排水體積法計算了AC313的水中橫向穩性曲線，與試驗結果的相關性較好；李磊[4]通過maxsurf商業軟件解決了船舶在復雜海況里的漂浮特性難題，分析了測體位置和規則波參數對結果的影響；P.Taylor[5]針對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到用戶自定義的狀態，進行迭代計算得出相關的浮力中心和力矩，輸出穩定性曲線；王明振[6]采取建模、軟件計算和試驗三種方法分析了完整穩定性，并將計算結果與試驗結果做了相關性分析。20世紀80年代，韋斯特蘭航空公司針對EH101型直升機開展了縮比模型漂浮試驗[7]。

試驗是研究直升機水中橫向穩性的重要手段。本文主要介紹了直升機水中橫向穩性試驗的試驗設備、試驗件、試驗方案及試驗步驟，并對試驗結果進行了分析。該試驗技術可用于直升機縮比模型水中橫向穩性試驗，為民用直升機的水上迫降適航取證提供技術支持。

1 試驗設施簡介

1.1 試驗技術要求

直升機水中橫向穩性試驗主要是測量模型橫傾不同角度時的恢復力矩，得出恢復力矩與橫傾角之間的關系曲線。當模型(帶浮筒)漂浮在平靜的水面上時，將模型橫傾至指定角度；當模型穩定漂浮在該橫傾角度后，記錄模型受到的恢復力矩。試驗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。試驗技術要求如下：

1)靜穩性試驗方案及試驗裝置應能在規定的一系列滾轉角和不影響直升機模型運動狀態條件下，測量直升機模型的恢復力矩；

2)測試設備滿足測試精度等要求。

1.2 試驗方案

根據上述要求，水中橫向穩性試驗需要研制一套試驗裝置，試驗得出恢復力矩與滾轉角之間的關系曲線。模型與水中橫向穩性試驗裝置的安裝及坐標定義見圖1。試驗裝置水箱的空間尺寸應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角，在模型重心所在軸線位置設計一根轉軸，通過法蘭盤與試驗轉軸相連接。在轉軸前段安裝分度盤，實現模型滾轉角的固定；安裝扭矩傳感器，測量模型在不同滾轉角下的恢復力矩；采用光纖慣導/衛星組合測量系統測量模型姿態角。

為實現模型垂向的自由浮動，在水箱兩端開槽，在U型槽設計了直線軸承，可實現模型的自由漂浮。為了消除分度盤、扭矩傳感器等設備重量對模型俯仰角的影響，在試驗水箱前段設置定滑輪裝置，在其另一端加配重，從而抵消測試設備對模型重量及俯仰角的影響。

圖1 模型與水中橫向穩性試驗裝置示意圖

1.3 試驗工裝

根據試驗方案，研制了試驗工裝，具體見圖2。主要包括模型試驗水槽、扭矩傳感器、直線軸承、角度分度盤、質量配平裝置、主軸、導軌等部分。

圖2 橫向靜穩試驗工裝

1.4 主要測試儀器清單

本試驗所用測試、測量設備均校驗合格，滿足試驗的要求。主要測試、測量設備的名稱、精度和數量見表1。

2 試驗件

2.1 模型設計依據

以某型直升機(安裝應急漂浮系統)三維理論外形作為模型外形設計依據，按Froude數進行模擬，從而使模型滿足幾何相似、運動相似和動力相似，在模型上加裝測試設備后，能通過調節配重將模型重量、重心、轉動慣量調整至要求的典型狀態。

在滿足上述相似準則的情況下，依據模型加工的簡易性、模型是否有足夠的空間安裝試驗測試設備、配重及試驗設施的能力和試驗要求等要求，來確定模型縮放比例λ值。試驗件最終確定為直升機的1：5縮比模型。

表1 主要測試、測量設備的名稱、精度和數量

2.2 試驗模型

縮比模型主要包括機體縮比模型和浮筒縮比模型，其參數符合原機按照縮比比例(λ=1/5)關系換算后的結果，模型重量、重心及轉動慣量見表2，模型外形見圖3。

3 試驗步驟

1)按照試驗狀態要求，對模型重量、重心和轉動慣量進行調配，填試驗記錄表；

2)將模型與水中橫向穩性試驗設備連接；

3)調整模型的滾轉角至設定值，并使其自由漂浮于水面，接通數據采集系統，采集數據，手工記錄扭矩傳感器恢復力矩值；

4)保存(記錄)試驗數據，并生成曲線；

5)改變模型的滾轉角，按3)、4)進行下一個狀態的試驗，直至完成所有要求滾轉角的試驗；

6) 打撈模型，退回試驗準備場地；

7)檢查模型，更改模型的試驗狀態，重復步驟1)-6)條進行試驗。

表2 模型重量重心及轉動慣量

圖3 模型實物

4 試驗結果

水中橫向穩性試驗中滾轉角定義為：從機尾向機頭看，順時針轉動為正。試驗數據進行了濾波處理，濾波頻率為50Hz。測試參數為時間(s)、恢復力矩M(N·m)、俯仰角θ(°)、滾轉角φ(°)、試驗水溫t(℃)。

水中橫向穩性試驗狀態見表3，各試驗狀態對應的恢復力矩變化曲線見圖4。

由圖4可知，兩個試驗狀態下，均在20°左右，模型恢復力矩達到極值，約為180N·m左右。試驗1恢復力矩與滾轉角基本呈反對稱關系，模型右傾恢復力矩大于左傾恢復力矩，這是由于模型重心偏左所致。試驗2恢復力矩與滾轉角不呈反對稱關系，模型左傾恢復力矩的絕對值大于右傾恢復力矩，這是由于氣囊單隔艙失效，左側氣囊體積減小導致的。在滾轉角-10°～10°之間，恢復力矩與滾轉角基本呈線性關系，說明氣囊是否隔艙失效對小滾轉角下的恢復力矩影響不大。

表3 靜穩性試驗狀態

圖4 不同試驗狀態恢復力矩變化曲線

5 結論

本文系統地介紹了水中橫向穩性試驗的具體試驗方案和試驗過程，對試驗結果進行了分析，可得到以下結論：

1)某型直升機恢復力矩的最大值在滾轉角20°左右，恢復力矩最大值與模型橫向重心有關；

2)完整狀態某型直升機的恢復力矩與滾轉角基本呈反對稱關系；

3)氣囊隔艙失效對小滾轉角(絕對值小于10°)下的恢復力矩影響不大；

4)該試驗技術可用于直升機模型水中橫向穩性試驗。