基于卸載式升力模擬的直升機縮比模型著水試驗技術研究

王 莉，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 100028；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

海洋擁有巨大的經濟價值和戰略意義，隨著海洋經濟的發展以及軍事需求的增加，海上飛行活動日益頻繁，提高海上飛行的安全性和救生能力問題也越來越受到人們的重視。根據適航[1]和國軍標[2]的要求，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。美國的咨詢通報[3]要求申請水上迫降的直升機在進行飛行試驗之前，為了保證安全，必須用可靠的理論分析方法或模型水動試驗來表明直升機具有著水能力。而CCAR29部的第29.563條規定“在整個著水撞擊過程中，作用于重心的旋翼升力不得大于最大設計重量的三分之二”，因此，開展模型水動試驗的三分之二升力模擬研究十分必要。

國外對于直升機的水上迫降試驗技術研究開展較早，英國、美國等國家一直在開展直升機迫降與漂浮特性所需的建模技術、試驗技術以及試驗設施的研究。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試驗[4]，在模型上安裝縮比旋翼以產生相當于2/3的校準拉力，表明了EH101具有良好的水上迫降特性。1986年，英國地效飛行器公司對V-22“魚鷹”的1:12縮比模型進行了水上迫降性能試驗[5]，由動力驅動兩副同步旋翼以便在迫降試驗中模擬升力。

中國特種飛行器研究所開展過K27直升機應急浮囊著水沖擊載荷試驗[6]，通過定制兩根彈力合適的長彈簧，確定模型在投放到接水瞬間彈簧的伸長量剛好能產生三分之二模型重量的升力。在某對俄合作項目中，為驗證國內直升機模型著水載荷試驗能力，在中國特種飛行器研究所進行了剛性浮筒縮比模型的入水試驗[7]，但該試驗中并未模擬三分之二升力。

本文針對直升機縮比模型著水試驗的卸載式旋翼升力模擬技術，開發設計了新的試驗卸載裝置，探索了新的試驗方法，開展了重復性試驗，通過試驗數據的對比驗證了試驗裝置和試驗方法的可行性和可靠性，可應用于直升機縮比模型的水上迫降適航取證試驗。

1 旋翼升力模擬技術方案選擇

在直升機水上迫降升力模擬技術中存在兩個關鍵因素：一是模擬旋翼升力的方向要始終通過重心；二是要保證準確模擬升力的大小。以國內外現有研究情況來看，在民用直升機水上迫降升力模擬研究中多采用以下幾種方法開展升力模擬研究：卸載式旋翼升力模擬技術、縮比旋翼升力模擬技術和重量扣除式升力模擬技術。

1.1 卸載式旋翼升力模擬技術

卸載式升力模擬主要是在模型上通過卸載裝置給模型施加一個模擬升力，通過滑輪裝置直接將卸載與模型連接，模型在投下過程中，卸載跟隨模型一起運動。此方式在中國特種飛行器研究所在研型號“AG600”無動力模型的水動力性能試驗中多次應用。卸載式旋翼升力模擬裝置原理示意圖如圖1所示。

圖1 卸載式旋翼升力模擬裝置原理示意圖

考慮到直升機模型水上迫降試驗的特殊性，卸載式升力模擬裝置應進行重新設計和改進：主要解決卸載裝置與模型投放裝置之間的干涉、卸載裝置對模型運動狀態的影響等問題。

1.2 縮比旋翼升力模擬技術

縮比旋翼升力模擬方法是指通過加工縮比的旋翼，通過模型內部或者外部動力裝置來驅動螺旋槳轉動以產生直升機水上迫降所需要的模型重量三分之二的旋翼升力。具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 縮比旋翼升力模擬方式原理圖

該試驗方案主要有三個缺點：一是旋翼的軸系設計較為復雜，既要實現旋翼的共軸對轉，還要使軸系能與投放裝置完全匹配，保證試驗的順利進行；二是軸系與動力系統安裝在模型內部，占用了模型的內部空間和重量。而且軸系的安裝需要專門設計對應的安裝接口，這也對模型的設計提出了更高的要求。

1.3 重量扣除式升力模擬技術

重量扣除式升力模擬技術是指通過直接減輕模型重量的方式，將模型著水重量減少至模型試驗所需重量的三分之一，直接以減輕的重量作為模擬的三分之二的旋翼升力。這種方法最為直接和方便，既不需要使用卸載裝置，也不需要旋翼裝置，不需要改動模型投放裝置，而且模擬的升力十分準確。但是這恰恰也是實施起來難度最大的一項方案，因為直升機的水上迫降試驗模型不同于航模和其它類的自由飛模型，除了對模型的外形有嚴格要求以外，還要求模型具有一定的結構強度，撞水部位還應具有一定的剛度，最好能與實機的相似。以現有的復合材料和模型加工工藝技術來看，研制縮比模型且重量為縮小后的三分之一以內幾乎是不可能的事情。

1.4 選定的旋翼升力模擬技術方案

三種方法的關鍵技術研究點不同，開發使用的試驗裝置、試驗方法也不相同，技術難易度也不相同。相比較而言：

卸載式旋翼升力模擬技術相對更容易實現，其試驗裝置開發難度最小，而且對于升力的模擬更為準確。縮比旋翼式升力模擬技術試驗裝置開發難度最大，一是國內外沒有相關的技術資料，二是受到模型尺寸和重量的限制。旋翼軸系和齒輪都得重新開發設計、選擇材料以及加工，而且還要結合試驗情況進行修改。試驗過程中由于裝置集成在模型內部，外部沒有多余附加裝置，對模型運動情況不造成干擾。重量扣除式升力模擬技術是最難實現的，以現有的模型材料和加工工藝還不能達到要求。后續可以考慮研究新的模型設計方法，引入更輕的復合材料，采用更輕量化的設備進行。

因此，最終選定卸載式旋翼升力模擬技術應用于直升機縮比模型著水試驗。

2 基于卸載式旋翼升力模擬技術的直升機縮比模型著水試驗

卸載式旋翼升力模擬技術研究過程中的關鍵技術有以下幾點：①三分之二旋翼升力大小的準確模擬；②卸載裝置開發與設計；③卸載式旋翼升力模擬試驗方法的探索與研究。

為了解決三分之二旋翼升力大小的準確模擬，采用了卸載通過滑輪、鋼索與模型直連的方式，卸載采用標準砝碼，保證了模型三分之二旋翼升力大小的準確模擬。同時，為了保證旋翼升力始終過重心，將模型上的卸載桿設計為鉸鏈形式，可以360°自由轉動，這樣就保證了模型在下落入水運動過程中卸載力始終垂直向上。

卸載裝置的開發與設計主要解決卸載裝置和模型投放裝置的干涉問題。采用了卸載平均分掛在模型上卸載桿的兩端的方法，避免安裝過程中與投放裝置干涉。同時將卸載滑輪分兩邊固定在線性滑塊上，避免模型在下落著水后向拖車后部運動的過程中與投放裝置干涉。為使卸載裝置對模型運動不造成干擾，采取了模型投放入水向后運動過程中卸載與模型分離的方式，既保證了模型下落過程中旋翼升力的準確模擬，又保證模型運動的真實性和安全性。

試驗方法主要結合已有的直升機水上迫降試驗技術和相關試驗經驗開展；試驗步驟參照模型的水上迫降試驗開展；測試系統、測試方法及數據處理也參照相關試驗進行。

2.1 試驗方案設計

卸載式旋翼升力模擬技術實施過程中主要針對卸載裝置和投放裝置進行了深入研究和優化改進，整個方案實施內容具體如下：

卸載裝置包括：線性滑軌、線性滑塊、卸載滑輪、卸載鋼索和卸載塊、模型上的卸載安裝座。卸載安裝座實物見圖3。

圖3 卸載安裝座實物

圖中黑色桿為模型卸載桿，兩端連接卸載鋼絲。卸載桿通過軸承與模型試驗安裝板連接。卸載桿可以自由轉動以保證卸載力在下落過程中始終通過模型重心且垂直向上。經多方面綜合考慮(模型密封、結構完整和安全性等)，將卸載桿上移至安裝板上。

投放裝置包括：電磁鉤、模型固定裝置、模型姿態調節裝置。投放裝置實物圖見圖4。

圖4 卸載式旋翼升力模擬方案投放裝置

同時，為避免試驗過程中出現模型傾覆的情況，對該技術進行了改進和優化：新試驗裝置多了一套電磁脫離系統，鋼索與卸載桿之間增加了一塊電磁鐵；為防止卸載脫離后砸壞模型，增加了卸載限位下落裝置。電磁鐵分離控制開關安裝在拖車測橋上，觸發開關安裝在線性滑塊上。電磁鐵電源線留有足夠余量保障滑塊前后運動不受干涉。優化試驗方案后，試驗順利完成，試驗過程中既保證了模型在下落入水過程中始終帶有過重心的三分之二升力，又保證模型完成入水后能及時與拖車分離，不造成模型損傷。試驗模型安裝示意圖如圖5所示。

圖5 卸載式旋翼升力模擬試驗模型安裝圖

此方案的創新點有以下兩點：

1) 三分之二旋翼升力的大小模擬準確，升力方向過重心；

2) 模型投放后，在著水向后運動的過程中卸載裝置會與模型分離。

該試驗方案測量的主要參數為：機身俯仰角、機身首部的垂向過載和機身著水壓力。

2.2 試驗件

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=1/7.5)關系換算后的結果。模型重量重心及轉動慣量見表1，機身坐標系定義見圖6，模型外形見圖7。

表1 模型重量重心及轉動慣量

圖6 機身坐標系定義(Z軸方向由右手定則判定)

圖7 模型實物圖

2.3 試驗步驟

基于卸載式旋翼升力模擬技術的直升機縮比模型著水試驗按照以下步驟開展：

1) 模型附件安裝，包括浮囊、安裝板、卸載裝置、機載傳感器和測試設備；

2) 模型重量、重心、慣量調試；

3) 安裝模型投放裝置及卸載裝置(線性滑軌、線性滑塊、滑輪)；

4) 閉合電磁鉤吊裝模型，電磁鐵通電連接卸載裝置；

5) 調整模型投放裝置使模型俯仰角、橫滾角滿足試驗要求；

6) 打開測試系統電源，預熱5分鐘，進入等待觸發采集狀態；

7) 啟動拖車，觸發采集系統開始記錄數據，拖車上錄像系統同步啟動，記錄試驗過程；

8) 拖車速度穩定后，打開電磁鉤，投下模型；

9) 打撈回收模型至船塢，讀取模型試驗數據，填寫試驗記錄表；

10) 檢查模型狀態，如正常直接重復步驟1-9，如遇異常情況及時處理后，調整模型狀態至正常后重復步驟1-9。

2.4 試驗結果

為驗證試驗的安全性和考察試驗系統的運行情況，進行了模型三分之二升力卸載試驗。模型前飛速度為5.63m/s ，投放高度為15mm，浮囊壓力為10kPa。該工況進行了三次重復投放，試驗現場如圖8所示。對此工況中三次重復試驗的數據進行了對比分析，主要對比了俯仰角變化曲線、首垂過載變化曲線和典型壓力變化曲線，具體如圖9-圖11。

圖8 試驗現場

圖9 俯仰角變化曲線對比圖

圖10 首垂過載變化曲線對比圖

圖11 壓力變化曲線對比圖

對比試驗曲線發現，三次試驗的俯仰角變化、首垂過載變化以及典型壓力點壓力變化無論是在變化規律、趨勢還是峰值點上都十分接近，表明了三次試驗有很好的重復性，直接證明了卸載式旋翼升力模擬方法的可行性、可重復性和可靠性。

3 結論

針對適航規章提出的直升機縮比模型水上迫降試驗中三分之二重量旋翼升力模擬的要求，對卸載式旋翼升力模擬、縮比旋翼升力模擬和重量扣除式升力模擬三種方案進行了對比分析，得到以下結論：

1) 卸載式旋翼升力模擬技術具有試驗裝置簡單易實現、旋翼升力模擬簡單準確、試驗方法簡單可靠、試驗數據重復性好等多方面優點，更適用于直升機模型水上迫降試驗；

2) 卸載式旋翼升力模擬技術能夠準確模擬三分之二旋翼升力的大小,升力方向過重心，符合規章條款要求，且模型在投放后的運動過程中卸載裝置會與模型分離，不會干擾試驗過程；

3) 針對卸載式旋翼升力模擬技術，設計了新的試驗卸載裝置，探索了新的試驗方法，并開展了重復性試驗，通過試驗現象和試驗數據的對比驗證了試驗裝置和試驗方法的可行性和可靠性；

4) 建立的卸載式旋翼升力模擬技術，能夠用于直升機縮比模型水上迫降適航取證試驗，為國內民用直升機水上迫降適航取證提供技術支撐。