汪正中,馬玉杰,江 婷
(1.中國直升機設(shè)計研究所,直升機旋翼動力學(xué)國家重點實驗室,江西景德鎮(zhèn) 333001;2.中國特種飛行器研究所,水動力研究中心,湖北 荊門 448035)
艦載直升機長期在海上飛行,一旦發(fā)動機發(fā)生故障,水上迫降是保障安全的最后一道防線。一般來說,能在海上起降的直升機采用的是船體帶輔助固定浮筒的構(gòu)型[1-3],例如 SH -3D“海王”直升機;具有水上迫降能力的直升機采用的是裝有應(yīng)急漂浮系統(tǒng)(即氣囊式浮筒)的構(gòu)型,例如EH101直升機。
水上迫降合格審定包括四個主要方面[2]: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。申請水上迫降合格審定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、模型水動試驗或已取證的相似構(gòu)型的旋翼航空器的模型試驗數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)(合適時)來表明直升機具有水上迫降能力。漂浮與配平性能應(yīng)在從零到申請人選定的最高海況范圍內(nèi)進行驗證,在臨界的重量和重心組合的情況下,應(yīng)有足夠的漂浮時間保證人員的安全撤離,而不會發(fā)生傾翻;在最臨界的水密艙破損的情況下,不會沉沒。通過抗沉性和橫向穩(wěn)性分析,可以對應(yīng)急漂浮系統(tǒng)(即氣囊式浮筒)的設(shè)計提供指導(dǎo),包括氣囊容積和水密艙個數(shù)的選擇、氣囊個數(shù)與安裝位置等。
為了確保直升機在水上迫降時的生存能力,國外進行了大量的水上迫降試驗。韋斯特蘭公司在其位于威特島的航空部門試驗基地對EH101進行了一系列的試驗[4]。EH101在水面緊急降落時采用4個增強型聚乙烯氣囊增強浮力,這4個氣囊由6個壓縮空氣瓶自動充氣,其中兩個主要氣囊連接在起落架的兩側(cè),另外兩個較小的氣囊則位于機頭處。在緊急迫降時,飛行員可以在直升機著水時打開應(yīng)急降落電子系統(tǒng),自動打開壓縮空氣瓶的閥門為4個氣囊充氣。試驗結(jié)果顯示,即使發(fā)生了氣囊損壞的惡性事故,直升機如果正面迎風(fēng)的話,就算是滿載也能夠經(jīng)得起Ⅳ級海況的考驗。
直升機水中橫向穩(wěn)性計算方法有兩種:即工程法與數(shù)值法。工程法是以流體靜力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的,簡單地說,就是以阿基米德浮力定律為基礎(chǔ),研究橫向穩(wěn)性。數(shù)值法是以流體動力學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的,隨著CFD(計算流體力學(xué))技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬直升機在波浪中的響應(yīng)成為可能。數(shù)值法涉及到數(shù)值算法穩(wěn)定性、網(wǎng)格生成、自由液面模擬以及波浪的準確模擬等方面,計算量大,且不易收斂。
本文參考水上飛機的橫向穩(wěn)性計算原理[5]和海船穩(wěn)性規(guī)范[6],建立了直升機的橫向穩(wěn)性計算方法,對漂浮姿態(tài)角、橫向靜穩(wěn)性、橫向動穩(wěn)性、抗風(fēng)浪等級等進行研究,并采用簡單的方法進行燃油液面修正。完成了某型直升機漂浮特性試驗,進行了計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)性分析。結(jié)果表明計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)性很好。
直升機靜浮于水面時,在外力作用下會產(chǎn)生縱向和橫向的傾斜。當外力作用停止后,直升機具有恢復(fù)到原來位置的能力,這種能力叫做穩(wěn)性。直升機穩(wěn)性的研究是一個非常重要和非常復(fù)雜的課題,它是直升機最重要的性能之一,是直升機著水安全的基本保障。
直升機在水中時的穩(wěn)性取決于小傾角初穩(wěn)心的位置和直升機重心的位置,二者在高度上的相對位置決定了直升機的穩(wěn)定情況,二者之間的距離稱為穩(wěn)心高度,它決定著穩(wěn)定的程度。為了保持任意傾角下的穩(wěn)定平衡,恢復(fù)力矩隨傾角增大的速度需要比傾覆力矩隨傾角增大的速度快。穩(wěn)性的大小對直升機縱向和橫向搖擺特性和幅度有著很大的影響。穩(wěn)性過大,直升機便會在平衡位置附近進行快速的周期性振蕩;而穩(wěn)性過小,則會形成非周期性的擺動,并緩慢地恢復(fù)到平衡位置。
因此,不僅要使靜浮于水中的直升機具有足夠的初穩(wěn)性,而且還必須使其恢復(fù)力矩曲線的曲率適宜,并使最大的恢復(fù)力矩相對應(yīng)于較大的傾斜角,以保證在突加傾覆力矩的作用下直升機能有足夠的儲備功。
坐標系的原點為直升機機頭頂點O。OX軸以O(shè)點為基準,與機身基線平行,指向機尾;OY軸以O(shè)點為基準,指向右舷一側(cè);OZ軸以O(shè)點為基準,方向朝上。如圖1所示。
規(guī)定:
1)右舷下沉?xí)r的橫傾角為正;
2)尾傾時的縱傾角為正;
3)恢復(fù)力矩以傾斜力矩的反方向為正。
圖1 坐標系
直升機在一定載荷下漂浮在距水面一定位置的能力稱為浮性。
靜浮性的計算包括機身的排水量、浮心位置以及在不同排水量下的縱傾角。
在水中靜止漂浮的直升機,其表面所承受水的靜壓力的合力,稱為浮力。由水線面(WL)和漂浮物體沉入水中的表面所限定的體積的重心,稱為浮心。
排水量和浮心位置計算,實際上就是對其排水體積和排水體積形心坐標的計算,這些計算是根據(jù)直升機的三維圖形來進行的。其基本方法是:在計算直升機的排水體積時,用若干個與YOZ坐標平面平行的平面,把水下體積分割成若干薄層微體積,算出這些薄層微體積,并求其總和,即得到直升機的排水體積。用公式表示如下:
式中:Δ為直升機的排水量,kg;
ρ為水的密度,kg/m3;
V為直升機的排水體積,m3。
式中:Ax為直升機座標x處的橫截面與水面所圍成的水下部分面積;
a、b為直升機入水的x座標。
在計算排水體積的形心坐標時,須要先算出上述各薄層微體積對某一個坐標平面的靜矩,并求出這些靜矩的總和,然后將其總和除以排水體積,即得該排水體積的形心距該坐標平面的距離。用公式表示如下:
式中:Ay為直升機座標y處的縱截面與水面所圍成的水下部分面積;
c、d為直升機入水的座標;
Az為直升機座標z處的水平截面與水面所圍成的水下部分面積;
e、f為直升機入水的座標。
在直升機縱傾過程中、浮心隨縱傾變化不大的情況下,可以依據(jù)公式(6)對直升機漂浮于水中的縱傾角θ進行計算。
其中:θ——初始縱傾角,°;
xB——浮心縱向坐標,m;
xG——重心縱向坐標,m;
zB——浮心垂向坐標,m;
zG——重心垂向坐標,m。
若在縱傾過程中,浮心的縱向位置產(chǎn)生了很大的變化,以上公式對縱傾角的計算便不能成立。此時,在進行縱傾角計算時,在排水量相同的情況下,將直升機縱向傾斜,最終使傾斜后的浮心縱向坐標與重心的縱向坐標相同,最后得到的縱向傾斜角度即為直升機漂浮于靜水中的縱傾角θ。
對于在一定的范圍內(nèi)離開平衡狀態(tài)作傾斜運動的直升機,當引起傾斜的外力消除以后,直升機能恢復(fù)初始水線面位置的能力,稱為直升機的靜穩(wěn)性。
1)初穩(wěn)性
離開平衡位置的傾斜角為無限小時的穩(wěn)性,叫做初穩(wěn)性。
當直升機平衡時,其浮心、重心和穩(wěn)心位于同一條垂線上。由重心到相應(yīng)于一定傾斜軸的穩(wěn)心M之間的距離稱為傾斜軸的穩(wěn)心高度。重心、浮心與穩(wěn)心的位置關(guān)系可參見圖2。
圖2 重心、浮心與穩(wěn)心位置關(guān)系示意圖
依據(jù)圖2可得如下關(guān)系式:
當直升機的橫傾角φ無限小時,其繞傾斜軸的流體靜力恢復(fù)力矩等于
公式(8)叫做穩(wěn)心公式,只限于橫傾角φ很小時使用。穩(wěn)心公式還可寫成:
公式(9)右邊的第一項僅與直升機的幾何形狀有關(guān),稱作形狀穩(wěn)性力矩。公式右邊第二項則取決于直升機的重心相對于浮心的高度,稱為重量穩(wěn)性力矩。
在計算直升機的靜穩(wěn)性時,以直升機實際裝載排水量情況下的穩(wěn)心高作為衡量靜穩(wěn)性的標準。
如果>0,則直升機漂浮于水中時是穩(wěn)定的;
如果<0,則直升機漂浮于水中時是不穩(wěn)定的;
如果=0,則為了判別穩(wěn)定性,必須在MR的表達式中引進φ的高階微量項。
穩(wěn)心半徑用下面的公式表示:
式中:IT——水線面(WZ)相對于縱軸的慣性矩,mR,此縱軸通過水線面的重心(漂心)。
本計算以與縱軸垂直的剖切線將水線面劃分為若干微小單元,對各單元面積與單元形心至縱軸距離的平方求和得到IT,y平均為每一dx值的平均水線半寬,具體計算公式為:
2)大傾角穩(wěn)性
研究直升機的大傾角穩(wěn)性,就是研究直升機傾斜后產(chǎn)生恢復(fù)力矩以阻止其傾覆的能力,對于直升機來說,最危險的情況是橫向傾覆,因此,需著重研究恢復(fù)力矩隨橫傾角變化的規(guī)律。
為了使問題簡化,假定直升機處于靜水之中,它受到靜水力作用,水線面為一水平面,并且忽略直升機在橫傾時由于首尾不對稱所引起的縱傾影響,即不考慮他們之間的耦合作用。
如圖2所示,直升機原浮于水線W0L0,排水量為Δ,重心在G點,浮心在B0點。設(shè)直升機在外力矩作用下橫傾于某一較大的角度φ,此時直升機浮于水線WφLφ,且直升機的重心位置保持不變。由于排水形狀發(fā)生了變化,浮心位置由B0點移動到Bφ點。于是重力G重和浮力F浮就形成了一個恢復(fù)力矩MR,其計算公式如下:
式(12)中,l=為重力作用線與浮力作用線之間的垂直距離,稱為恢復(fù)力臂或靜穩(wěn)性臂。靜穩(wěn)性臂l隨排水量Δ、重心高度及橫傾角φ的變化而變化。在排水量Δ及重心高度一定時,l只隨φ的變化而變化。
直升機處于大傾角情況下,由于入水和出水楔形形狀的不對稱性,等體積傾斜水線已經(jīng)不再通過正浮水線面的漂心,浮心的移動曲線在橫剖面上的投影也不能再看作是圓弧,初穩(wěn)心M已不再是浮力作用線與中心線的交點,即M不能再看作是固定不動的,穩(wěn)心半徑也發(fā)生了變化,不再是定值,而是隨橫傾角φ的不同而變動。這時大傾角靜穩(wěn)性臂只能用式(13)或式(14)來表示:
其數(shù)值主要由重心位置所決定,因此稱為重量穩(wěn)性臂。
靜穩(wěn)性臂l隨橫傾角φ的變化比較復(fù)雜,不能用簡單的公式來表示。通常根據(jù)計算結(jié)果繪制成l=f(φ)的靜穩(wěn)性曲線圖。它表示在不同傾角時恢復(fù)力矩(或恢復(fù)力臂)的大小。
計算靜穩(wěn)性曲線的計算方法很多,一般采用變排水量法和等排水量法。
變排水量法計算靜穩(wěn)性曲線的特點是:根據(jù)橫傾后的入水和出水楔形所形成的體積矩,求得不同排水體積和不同橫傾角的浮力作用線到假定重心的距離,并繪制成穩(wěn)性橫截曲線。然后,再根據(jù)穩(wěn)性橫截曲線求出某一排水體積下的浮力作用線到重心的距離,最后對重心加以修正,繪出該裝載情況下的靜穩(wěn)性曲線。
等排水量法必須首先確定等體積傾斜水線,工作量比較大,但是等排水量法可以直接求得某一裝載情況下的靜穩(wěn)性曲線圖。本文采用等排水量法。
如圖3所示,直升機的恢復(fù)力矩MR等于機身的力矩MΔ和氣囊的力矩M1Δ、M2Δ的總和。機身的力矩和出水(因傾斜而出水)氣囊的力矩是負值。
圖3 橫向靜穩(wěn)性示意圖
恢復(fù)力矩可以寫成如下形式:
式中:Δ1Δ——出水氣囊的排水量,kg;
Δ2Δ——入水氣囊的排水量,kg,且設(shè)hBD<0;
hBD——橫向靜穩(wěn)心高度,m,由靜穩(wěn)性計算得到。
根據(jù)經(jīng)驗,且為了便于計算,做如下假定:
1)直升機處于不同橫傾角狀態(tài)時,Δ1Δ和Δ2Δ都作用在氣囊全部入水時的浮心上;
2)直升機處于不同橫傾角狀態(tài)時,機身的橫向靜穩(wěn)心高度hBD等于常數(shù);
3)燃油液面修正。
當直升機燃油箱中存在自由液面時,箱內(nèi)燃油隨直升機的傾斜而移動,因而對靜穩(wěn)性曲線有一定的影響。由于燃油向傾斜一邊移動,燃油重心向傾斜的那邊移動,導(dǎo)致恢復(fù)力臂減小,使靜穩(wěn)性變差。
對自由液面修正的計算,需要計算出直升機傾斜某一個角度后油箱內(nèi)燃油重心移動的橫向距離d,則燃油產(chǎn)生的傾斜力矩:
式中:Δ1——燃油的重量,kg。
上式中計算燃油重心移動距離d的方法與計算靜穩(wěn)性臂l的方法類似,具體方法是:在一固定的燃油重量下,橫傾一個角度φ(沿這一燃油重量下正浮狀態(tài)的燃油體心旋轉(zhuǎn)),計算出傾斜角φ后燃油體積體心的橫向坐標,即為d的值。
當直升機漂浮于海面上時,在外力矩的作用下,其橫傾時具有角速度。只有當外力矩所做的功完全由恢復(fù)力矩所做的功來抵消時,直升機才會因角速度變?yōu)榱愣V箖A斜。所以,動穩(wěn)性是以恢復(fù)力矩所作的功來表達的,有了靜穩(wěn)性曲線,對其積分即可求出動穩(wěn)性曲線。
直升機受到波浪作用產(chǎn)生搖擺。當直升機向迎風(fēng)一側(cè)橫搖至最大角度φ0并剛要往回橫搖時,突然受到一陣風(fēng)的吹襲,直升機是最危險的。因為這時恢復(fù)力矩的方向與風(fēng)傾力矩的方向一致,兩個力矩一起促使直升機傾斜加劇。
直升機的橫向重心一般是偏向一側(cè)的,但數(shù)值很小,為了計算方便,忽略其重心沿橫向的偏移,此時其靜、動穩(wěn)性曲線對稱于O點。在受到風(fēng)浪聯(lián)合作用時,直升機的靜穩(wěn)性曲線如圖4所示。
圖4 帶初始橫搖角的靜穩(wěn)性曲線圖
由以上的穩(wěn)性曲線可以得出,若不考慮初始橫搖角φ0,在同樣的橫傾力矩Mf的作用下,動橫傾角要比φd小得多。根據(jù)動穩(wěn)性的理論,在靜穩(wěn)性曲線上,作水平線FL使面積AFH=面積HDL,L恰在靜穩(wěn)性曲線下降段上即為要求的直升機在風(fēng)浪聯(lián)合作用下所能承受的最大傾斜力矩Mfmax,也就是說,這是使直升機傾覆的最小力矩,又可稱作最小傾覆力矩Mq。L相對應(yīng)的橫傾角φdmax(極限動傾角)表示直升機所允許橫傾的最大角度,達到或超過此角度,直升機就會傾覆。
在不考慮初始橫搖角φ0的情況下,直升機的最小傾覆力矩將比Mq大得多。因此,考慮初始橫搖角的情況,對直升機橫向穩(wěn)性計算來說是最危險的,所以,在進行大傾角穩(wěn)性計算時采用風(fēng)浪聯(lián)合作用時的情況。
1)初始橫搖角度的計算方法
我國《海船穩(wěn)性規(guī)范》是假定船舶在沒有航速,受橫浪作用發(fā)生共振橫搖,當搖至迎風(fēng)一側(cè)最大角度時,受一陣風(fēng)作用后不至于傾覆[6]。根據(jù)其計算方法,得到如下結(jié)果=15.58°。
2)風(fēng)壓傾斜力矩的計算方法
根據(jù)標準[7]中所提供的方法,進行風(fēng)壓傾斜力矩計算,選擇公式:
式中:Cm—風(fēng)壓橫傾力矩系數(shù);
ρa—空氣密度,ρa=0.125(kg·s2/m4);
Va—對應(yīng)于側(cè)投影面的形心處的風(fēng)速,m;
A—水線以上部分側(cè)投影面積,m2;
Z—側(cè)投影面A的形心距水線的高度,m;
B—直升機單機身寬度,m;
L—直升機長度,m。
3)抗風(fēng)浪等級計算方法
按照橫搖角度計算方法和圖4計算得到了本直升機所能承受的最大傾斜力矩,按照所得到的最大傾斜力矩,并根據(jù)直升機入水情況在模型圖上測量相關(guān)參數(shù),另外,還需要根據(jù)不同的排水量,選擇對應(yīng)的側(cè)投影面積A和形心高度帶入公式(18)、(19)反算得出直升機所對應(yīng)于側(cè)投影面形心處的最大風(fēng)速。
由于風(fēng)速沿垂直方向是變化的,海面不同高度處的風(fēng)速是不一樣的,需對按上述公式計算得出的側(cè)投影面形心Z處的最大風(fēng)速進行修正,以換算得到對應(yīng)于海面10m高度處的風(fēng)速。
海面10m高度處的風(fēng)速按照下式計算:
利用公式(21),可將穩(wěn)性計算得到的最大抗風(fēng)傾力矩下的風(fēng)速,換算得到在10m高度處對應(yīng)的風(fēng)速,查蒲氏風(fēng)級表,此風(fēng)速所處的風(fēng)級即是直升機所能承受的穩(wěn)定風(fēng)速下的傾覆風(fēng)級。
在中國特種飛行器研究所高速水動力實驗室進行了靜穩(wěn)性試驗、零速橫搖響應(yīng)試驗(規(guī)則波)、翻機試驗(不規(guī)則波)模型試驗。
在直升機模型靜穩(wěn)性試驗中,當橫傾角大于最大靜恢復(fù)力矩對應(yīng)的橫傾角時,直升機模型會傾覆,從而無法測得某外力矩下平衡的橫傾角。為此專門研制了力矩測量裝置,如圖5所示。
試驗裝置安裝在水動力實驗拖車下部,在機首沿中心縱向軸線安裝法蘭盤,法蘭盤可調(diào)節(jié)模型橫傾角度;將天平的一側(cè)通過法蘭盤與模型連接,另一側(cè)與直線軸承連接,直線軸承與滑軌組成一套運動機構(gòu),確保模型可沿垂向自由運動,其他方向運動得到約束。尾部直線軸承沿重心縱向軸線與模型固聯(lián),與滑軌組成一套運動機構(gòu),作用與首部運動結(jié)構(gòu)相同?;壟c拖車固聯(lián)。
圖5 力矩測量裝置示意圖
試驗過程中,通過法蘭盤給定模型的橫傾角度,待模型及天平穩(wěn)定后,測出此時模型的恢復(fù)力矩。進而在一系列橫傾角下,得到恢復(fù)力矩隨橫傾角的變化曲線。
1)初始縱傾角
計算得出 θ=3.657°,試驗結(jié)果為 θ=3.382°,理論計算與試驗結(jié)果的相關(guān)性很好。
2)初穩(wěn)性
某型直升機初穩(wěn)性計算結(jié)果如表1所示。
表1 某型直升機初穩(wěn)性計算結(jié)果
從所得的計算結(jié)果可以看出,直升機的穩(wěn)心高度為正值,說明直升機漂浮于靜水中是穩(wěn)定的。
3)靜穩(wěn)性對比
將某型直升機的未計及燃油液面修正的靜穩(wěn)性計算結(jié)果、計及燃油液面修正的靜穩(wěn)性計算結(jié)果和試驗(氣囊為柔性)結(jié)果三者進行對比,如圖6所示。
由圖6可以看出,計算結(jié)果與試驗結(jié)果接近,變化趨勢一致。在橫傾角達到35°以前,計算結(jié)果較試驗結(jié)果略微偏大,計算結(jié)果能夠較好地表達直升機的橫向靜穩(wěn)性。
圖6 某型直升機靜穩(wěn)性計算與試驗對比曲線
靜穩(wěn)性理論計算采用的模型為剛體,而試驗?zāi)P椭袣饽覟槿嵝泽w,且在試驗過程中,氣囊因水壓力而產(chǎn)生局部變形,故試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果存在誤差。
4)不考慮波浪影響的計算結(jié)果
在不考慮波浪影響情況下,直升機橫搖時不存在初始橫搖角,得到處于完全平靜海面的最大恢復(fù)力矩以及所能抵抗的最大風(fēng)級。表2為某型直升機抗風(fēng)等級計算結(jié)果。
5)考慮風(fēng)浪聯(lián)合作用的計算結(jié)果
在直升機漂浮于海面上時,完全只有風(fēng)的作用是不現(xiàn)實的。由于有風(fēng)的情況下,海面永遠不可能是平靜的,所以只考慮風(fēng)的作用計算得到的抗風(fēng)能力是永遠不可能達到的,在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的抗風(fēng)等級如表3。
表2 某型直升機抗風(fēng)等級計算結(jié)果
表3 風(fēng)浪聯(lián)合作用下某型直升機抗風(fēng)等級計算結(jié)果
6)動穩(wěn)性對比
將某型直升機的未計及燃油液面修正的動穩(wěn)性計算結(jié)果、計及燃油液面修正的動穩(wěn)性計算結(jié)果和試驗(氣囊為柔性)結(jié)果三者進行對比,如圖7所示。
圖7 某型直升機動穩(wěn)性計算與試驗對比曲線
由圖7可以看出,計算結(jié)果與試驗結(jié)果接近,變化趨勢一致,計算結(jié)果能夠較好地表達直升機的動穩(wěn)性。
本文首次系統(tǒng)地提出直升機橫向穩(wěn)性計算方法,通過對直升機理論計算與試驗結(jié)果的相關(guān)性分析,可得出如下結(jié)論:
1)采用建立的直升機橫向穩(wěn)性計算方法得到的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關(guān)性很好,對于直升機橫向穩(wěn)性計算來說,可以不考慮柔性氣囊的變形影響;
2)某型直升機最大恢復(fù)力矩對應(yīng)的橫傾角為23.3度,橫傾角為51.1度時,恢復(fù)力矩消失。
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