民用直升機水上迫降姿態響應分析

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

隨著直升機技術的發展，其在全球許多方面都發揮著重要的作用，在軍事作戰中，直升機可以承擔貨物運輸、敵情偵察、支援火力、等重要工作；在民用中，直升機承擔了搶險救災作業等特種任務，已經成為生活中不可或缺的一部分[1]。然而，其本身在發揮能力的同時，更應該重視其安全問題，在直升機的機體結構受損后的人員安全問題顯得更突出。其中，直升機在水面完成應急迫降后的人員救生是迫降問題研究的一個重要方面。直升機的水上迫降過程是一個復雜的耦合問題，進行理論研究、數值模擬分析和試驗方法是研究直升機水上迫降問題的重要手段。

直升機水上迫降的理論分析方法，涉及到水面邊界層的耦合變形，是一種復雜非線性的問題。Karman[2]的著水問題是比較著名的理論，此研究方法是將整個系統作為假設的初始研究目標，理論定律符合物體動量守恒，其解決問題的思路主要是應用附加質量。視為楔形體是該理論的簡化方法，主要因為其幾何形狀簡單，推導過程比較簡便，并且著水過程的初始條件可以通過改變楔形體的底角來實現，便于問題分析，其模型如圖1所示。

圖1 楔形體入水模型

現代直升機設計中基本上放棄了船體構型而采用平底構型，因為船體構型使直升機總體布局不夠緊湊，會增加直升機的全機重量和增加全機阻力。平底構型的直升機不能采用楔形體入水模型，隨著CFD和有限元分析方法的發展直升機水上迫降分析方法主要有：MAC法[3]、標高法、VOF法[4]以及Level Set法[5]。離散控制方程的方法可以分為：有限體積法、有限差分法[6]、邊界元法、有限元法[7]及粒子法。在研究分析直升機水上迫降等非線性大變形大動態問題時，粒子法不受網格的限制，不會因為網格間的相互影響達不到結果收斂，但是在研究直升機水上迫降姿態響應時該方法不太適用，而基于有限元分析的VOF法可以有效的解決直升機水上迫降姿態響應計算問題[8]。

本文基于VOF方法，采用STAR-CCM+軟件進行直升機水上迫降姿態響應仿真分析，將A型民用直升機數值模擬結果與模型試驗結果進行對比，驗證了直升機水上迫降姿態響應分析數值模擬方法的合理性。并且應用該方法對某型民用直升機水上迫降姿態響應研究，分析直升機水上迫降過程尾部吸力對直升機俯仰角姿態的影響，發現底部壓力分布是影響直升機姿態的關鍵因素。

1.直升機水上迫降研究方法

1.1 理論研究方法

本文通過對時間和空間離散求解不可壓縮N-S控制方程，有限體積法（Finite Volume Method, FVM）是空間離散的主要手段，其方法中每個網格節點周圍因為模型的網格存在形成了獨立的微小控制體，每個控制體的體積分要通過質量、動量守恒方程實現轉化，然后將整個計算域的離散方程組進行求解。直升機的水上迫降過程伴隨著姿態的顯著調整和周圍流場的劇烈變化，屬于瞬態問題，故采用非定常求解器求解流體方程。湍流模型選擇可實現的k-ε湍流模型，該模型主要用來解決分離流問題和邊界層流動問題。水上迫降問題涉及自由液面，水上降落過程中會對周圍流場產生重要影響，自由液面的捕捉要精確，本次直升機水上迫降研究應用VOF法實現自由液面的模擬，設置水和空氣兩相流體，水相和空氣相均為不可壓縮流體，且賦予流體相應的屬性。

1.2 水上迫降姿態研究方法

基于VOF法，應用STAR-CCM+對全尺寸直升機水上迫降姿態響應進行數值模擬，并討論分析水上迫降過程中直升機底部壓力分布情況以及俯仰角的變化情況。采用歐拉多相流，通過模型中結構與流體之間相互作用來模擬真實的接觸環境，將直升機觸水的初始條件施加到流體域，并且流體域又對所建立的模型結構施加條件。水上迫降研究方法的優勢體現在能夠完整地實現直升機水上迫降過程的姿態響應，從而能夠反映出直升機水上迫降過程中所出現的物理現象，可以讓模擬姿態結果更加準確，為直升機的應急漂浮系統方案布置設計提供技術支持。

2.水上迫降姿態響應分析

2.1 數值模擬方法驗證

為了驗證數值模擬方法的合理性，本節將A型民用直升機水上迫降試驗作為驗證算例[9]，對全尺寸直升機水上迫降姿態響應進行數值模擬，通過數值模擬結果與模型試驗結果進行對比，驗證直升機水上迫降姿態響應數值模擬方法的合理性。A型直升機的應急漂浮系統方案布置如圖2所示，將直升機導入STAR-CCM+進行模型建立并劃分網格，直升機區域網格尺寸為0.4m，流體區域的網格尺寸為2m，加密區域的網格尺寸為0.25m，模型網格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 模型網格劃分

在國內外水上迫降的試驗中，直升機的初始姿態角一般都在6°～10°，在本次對照的試驗結果中，試驗選取6°作為直升機的初始姿態角，因此算例選取6°作為直升機水上迫降的初始姿態角。同樣直升機觸水瞬間的前飛速度取15.4m/s，垂直下降速度取1.5m/s，速度選取符合《中國民用航空規章》對直升機水上迫降的要求，數值模擬仿真俯仰角計算結果與模型試驗結果曲線如圖4所示。

圖4 俯仰角時間歷程曲線

從俯仰角時間歷程曲線可以發現：A型直升機的計算結果與模型試驗結果的俯仰角變化趨勢相同，在水上迫降過程隨著時間的變化首先會出現低頭，然后隨著時間的推移，直升機出現抬頭，計算結果俯仰角達到11.83°，模型試驗結果俯仰角達到11.02°，從計算結果可以驗證對直升機水上迫降姿態響應數值模擬的方法是合理的。

2.2 直升機水上迫降姿態分析

現代直升機設計時，更趨向于采用外置油箱、寬機身方案，可以有效降低直升機的全機高度，提升艙內空間更多的滿足用戶的需求。但這種設計會加大機體底部的面積，在水上迫降時，對直升機姿態的影響也會加大。為了更好地分析直升機水上迫降姿態響應，本節對某型民用直升機水上迫降姿態響應進行數值模擬分析。該型機的應急漂浮系統布置方案如圖5所示，將直升機導入STARCCM+進行模型建立并劃分網格，直升機區域網格尺寸為0.4m，流體區域的網格尺寸為2m，加密區域的網格尺寸為0.25m，通過計算結果分析得出應急漂浮系統布置方案對俯仰姿態角的影響。

圖5 應急漂浮系統布置方案

直升機進行水上迫降數值模擬仿真計算時，同樣選取俯仰姿態角初始角度為6°，按照《中國民用航空規章》前飛速度取15.4m/s，垂直下降速度取1.5m/s，數值模擬仿真計算結果曲線如圖6所示。

圖6 俯仰角時間歷程曲線

從俯仰角時間歷程曲線可以發現：直升機在水上迫降過程隨著時間的變化首先會出現低頭，然后隨著時間的推移，直升機出現抬頭，抬頭仰角達到17.51°，其仰角抬頭姿態過大，存在直升機尾槳觸水的風險。現在對A型直升機與該型機的數值模擬結果出現的差異進行對比分析，從直升機底部壓力分布進行分析研究，直升機底部壓力分布如圖7所示。

圖7 不同時刻直升機底部壓力分布

從機體底部壓力分布圖中發現，該型直升機機體底部在0.5s時刻形成嚴重的負壓區，并且在重心前端壓力過大，導致直升機入水過程產生抬頭力矩，使得直升機抬頭仰角過大，A型直升機機體底部壓力分布要優于該型機的底部壓力分布。當直升機與水面接觸時由于伯努利效應機體底部出現負壓區，并以吸力的形式作用在直升機后機身產生一個正向的抬頭力矩，這種現象被稱為尾部吸力[10]。從兩種型號直升機機身底部可以發現該型機的機身相比A型機的機身較寬，伯努利效應更加明顯，引起直升機俯仰角過大。在實際直升機水上迫降過程中，當機身底部較寬時應注意直升機引起的伯努利效應，可以通過改變直升機底部外形進行改善，保證直升機水上迫降的安全性。

3.結論

本文基于有限體積法和VOF方法，對某型民用直升機水上迫降姿態響應數值模擬計算，得出以下結論：

（1）A型直升機的計算結果與模型試驗結果的俯仰角變化趨勢相同，在水上迫降過程隨著時間的變化首先會出現低頭，然后出現抬頭，計算結果俯仰角達到11.83°，模型試驗結果俯仰角達到11.02°，從計算結果可以驗證直升機水上迫降姿態響應數值模擬方法是合理的。

（2）通過對兩種型號直升機的底部壓力分布對比分析，發現直升機與水面接觸由于伯努利效應機體底部出現負壓區，并以吸力的形式作用在直升機后機身產生一個正向的抬頭力矩，當直升機機身底部較寬時，伯努利效應更加明顯，引起直升機俯仰角過大。在實際直升機水上迫降過程中，當機身底部較寬時應注意直升機引起的伯努利效應，可以通過改變直升機底部外形進行改善，保證直升機水上迫降的安全性。