張江濤

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

適應多型直升機的外掛設備掛飛耐久壽命考核方法探討

張江濤

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

目的制定合理的方法以考核外掛設備適應多型直升機的掛飛振動壽命。方法根據直升機外掛設備掛飛振動環(huán)境的特點和相關標準所規(guī)定,提出將各型直升機的正弦頻點疊加至同一隨機譜型中,并結合現有振動控制儀能力,提出寬帶隨機疊加正弦掃頻的綜合振動頻譜考核方法。結果綜合控制譜覆蓋所有相關直升機引起的隨機振動環(huán)境和正弦振動環(huán)境,組織1次試驗即可滿足所有載機的掛飛壽命考核要求。結論綜合振動頻譜的考核方法解決了直升機外掛設備適應掛裝多型直升機的掛飛耐久壽命考核問題。

直升機載外掛;掛飛耐久壽命;綜合振動譜

近年來,隨著國內航空工業(yè)的迅速發(fā)展,涌現出越來越多的新型直升機和機載外掛設備,同一機載外掛設備往往需同時掛裝多型直升機以提高其使用效率。機載外掛設備在掛裝不同的直升機時會遇到不同的掛飛振動環(huán)境。目前國內相關標準并沒有明確機載外掛設備掛裝多型直升機的掛飛耐久壽命的考核方法,如何對適應多型直升機的機載外掛設備制定合理、可行的掛飛耐久壽命考核方法是亟需研究和解決的問題[1—2]。

1 振動環(huán)境及特點

與固定翼飛機的振動環(huán)境相比,直升機的振動環(huán)境具有十分獨特的一面。直升機依靠旋翼和尾槳產生的氣動力來完成各種飛行動作,受氣流的影響,槳葉在飛行過程中將同時產生揮舞、擺振以及扭轉變形,在槳轂處產生周期性交變力和交變力矩,通過槳轂傳至機身[3—7],因此,直升機最主要的振源來自旋翼和尾槳系統(tǒng)。這些振源的振動頻率相對較低,一般為nP(P為旋翼或尾槳的工作轉速頻率,n為槳葉的片數)及其各階倍頻[3—5]。同時發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等高速旋轉部件也會產生相應頻率的隨機振動環(huán)境[6—9]。這些振動可通過機身傳到機體的各個部位,形成獨特的以周期振動為主,并疊加有較低寬帶隨機振動的振動環(huán)境。某直升機的典型振動頻譜圖如圖1所示[10]。

圖1 某直升機的典型振動頻譜Fig.1 Typical vibration spectrum of a helicopter

直升機的振動環(huán)境大致可以劃分為3個影響區(qū):機身前半部主要為主旋翼振動影響區(qū);主減、傳動及發(fā)動機平臺附近主要為動力傳動系統(tǒng)影響區(qū);尾梁及垂尾附近主要為尾槳影響區(qū)[11—12]。直升機機載外掛設備掛裝在機身兩側的短翼上,位于主旋翼的垂直投影面上,受主旋翼影響較大,主要承受由主旋翼氣動繞流產生的振動環(huán)境[13—15]。由于直升機飛行速度較慢,氣動繞流引起的隨機環(huán)境很小,故直升機機載外掛設備掛飛振動環(huán)境主要是由直升機動力部件、傳遞機構引起的隨機環(huán)境疊加直升機旋翼引起的正弦環(huán)境的綜合復雜環(huán)境,其特點是寬帶隨機疊加很強的正弦峰值[13,16]。某直升機機載外掛的典型振動頻譜圖如圖2所示。

圖2 某直升機機載外掛設備的典型振動頻譜Fig.2 Typical vibration spectrum of a helicopter-carrier equipment

2 壽命考核現狀

因為直升機有著獨特而嚴酷的振動環(huán)境,所以凡要適應掛裝多型直升機的機載外掛設備均需通過相應的振動環(huán)境考核,以驗證該機載外掛設備是否滿足不同直升機掛飛振動環(huán)境的要求[11]。

目前國內直升機外掛設備掛飛耐久壽命的考核方法主要依據GJB 150.16—1986,GJB 150.16A—2009以及對應的美國810系列標準進行考核,其中新研型號多依據GJB 150.16A—2009和MIL-STD-810F規(guī)定方法進行考核。以GJB 150.16A—2009規(guī)定的振動譜型為例,其譜型如圖3所示,其中f1=P,f2=nP,f3=2nP,f4=3nP[3—5,14]。

圖3 GJB 150.16A—2009規(guī)定機載外掛設備掛飛振動譜型Fig.3 GJB 150.16A—2009 provides helicopter-carrier equipment flight vibration spectrum

若機載外掛設備只掛裝一型直升機,可按GJB 150.16A—2009規(guī)定的譜型,根據對應直升機主旋翼的轉速和槳葉數,通過標準計算或掛飛振動環(huán)境實測數據制定譜型的量級,并根據機載外掛設備的總掛飛時間(架次)進行掛飛耐久壽命考核即可。通常情況下,直升機載外掛設備需掛裝多型直升機,主機單位在提考核要求時往往會給出除正弦頻點外其他均相同的考核譜型。由于不同類型載機的旋翼頻率不同,其掛飛振動考核譜型的正弦頻點也不同,使得各自振動譜型之間不能用高考核量級的振動條件覆蓋低考核量級的振動條件。GJB 150.16—1986,GJB 150.16A—2009及MIL-STD-810F等標準只規(guī)定了適應單一機型掛飛振動耐久壽命的考核方法,沒有規(guī)定適應多型載機掛飛耐久壽命的考核方法,使得適應多種不同直升機的機載外掛設備的掛飛振動壽命考核方法難以統(tǒng)一。

現行適應多型直升機外掛設備掛飛耐久壽命的考核方法主要有2種。

1)根據各型載機的旋翼頻率制定各自的掛飛振動譜型,外掛設備按不同的掛飛振動譜型分別進行全壽命(T)考核。

2)根據各型載機的旋翼頻率制定各自的掛飛振動譜型,對總掛飛壽命(T)根據掛裝的載機數(N)進行等分,外掛設備對各種載機的譜型按等分壽命(T/N)分別進行考核。

這兩種考核方法都存在一定的不足:

方法1)對產品掛飛壽命考核充分,通過該方法考核的外掛設備能適應各型載機,但分別按每種載機的掛飛振動頻譜都進行全壽命的方法考核明顯存在過試驗(總考核壽命為NT)。

方法2)的總考核壽命即其掛飛壽命(T),但對考核壽命進行等分的方法是以外掛設備交付使用后在每種載機上掛裝的時間都相等為前提的,而外掛設備交付后掛裝在不同載機的時間肯定不會相等,其在每種載機的掛裝時間比例也無法確定,按平均掛裝壽命(T/N)考核的方法不符合實際掛裝情況。

3 綜合譜

由于直升機機載外掛設備掛裝不同直升機時其隨機譜型均相同,可將各型直升機的正弦頻點同時施加在同一隨機譜型中。以某外掛設備掛裝兩型直升機為例,若兩種載機對應的正弦頻點分別為f1,f3,f5,f7和f2,f4,f6,f8,其綜合振動譜型如圖4所示。由于該譜型同時包絡了兩種直升機的正弦頻點,按此譜型進行考核后的直升機機載外掛設備即可同時滿足兩種直升機振動環(huán)境。

圖4 直升機外掛綜合振動頻譜Fig.4 Helicopter-carrier equipment comprehensive vibration spectrum

該譜型在試驗實施過程中存在困難:不同直升機的同級頻率(尤其是基頻)相隔太近,由于實驗室內現有振動控制軟件線數的原因,該控制曲線無法在振動試驗設備控制軟件進行設置。為解決此問題,可對同級正弦頻點采用掃頻的方法,同樣可以達到對所有相關直升機正弦頻點進行考核的目的,即采用隨機疊加正弦掃頻的綜合振動譜,如圖5所示。

圖5 直升機外掛綜合振動頻譜Fig.5 Helicopter-carrier equipment comprehensive vibration spectrum

如某機載外掛設備要掛裝AH-1,CH-47D,OH-58A三型直升機,考核的振動譜型如圖3所示,其中正弦加速度峰值P1=0.5 g,P2=3 g,P3=2 g,P4= g;隨機譜功率譜密度Wt=0.001 g2/Hz,W0=0.01 g2/Hz。根據各載機的槳葉數和轉速計算 AH-1, CH-47D,OH-58A三型載機的正弦頻點見表1。

表1 正弦振動頻點Table 1 Sine vibration frequency

采用綜合譜后其隨機譜型和量級均不變,只是正弦定頻變?yōu)檎覓哳l,其掃頻范圍:f1為3.8～5.9,f2為10.8～11.8,f3為21.6～23.6,f4為30.3～35.4。為保證在掃描范圍內的每個正弦點上充分暴露可能對產品結構引起的共振,掃頻速率不易過快,一般在0.5～1 oct/min,綜合振動譜型如圖5所示[17]。

4 綜合譜的分析

寬帶隨機疊加正弦掃頻的綜合振動頻譜是以相關標準(如GJB 150.16A—2009)為基礎進行制定,本質上仍是標準規(guī)定的振動譜型。該綜合譜對同級正弦頻點進行掃頻的方法可以覆蓋所有相關直升機由于旋翼引起的正弦振動環(huán)境,組織1次試驗即可考核所有載機的掛飛振動環(huán)境,達到了對所有載機的掛飛壽命考核目的,提高了試驗效率,縮短試驗周期。

若不同載機的振動考核量級要求不同,可將不同直升機的振動量級進行綜合考量,折中為相同的量級,再使用綜合譜進行考核[17]。

5 結語

根據國軍標規(guī)定的試驗譜型和掛裝多型直升機的實際需求,并結合在實驗室內實施的情況,提出了寬帶隨機疊加正弦的試驗實施方法,較好地解決了直升機適應掛裝多型直升機掛飛耐久壽命考核問題。該方法已在某直升機外掛設的研制中得到應用和驗證,可為同類直升機外掛設備提供參考。

[1] 周堃,錢翰博.淺談裝備環(huán)境適應性與可靠性[J].裝備環(huán)境工程,2014,11(2):25—27. ZHOU Kun,QIAN Han-bo.Discussion on Environmental Worthiness and Reliability of Materiel[J].Equipment Environmental Engineering,2014,11(2):25—27.

[2] 龐志兵,高強,魏赫.提高武器裝備環(huán)境適應性對策研究[J].裝備環(huán)境工程,2014,11(2):68—71. PANG Zhi-bing,GAO Qiang,WEI He.Research on Environment Adaptive Countermeasures for Weapons and E-quipment[J].Equipment Environmental Engineering, 2014,11(2):68—71.

[3] GJB 150.16-1986,軍用設備環(huán)境試驗方法 振動試驗[S]. GJB 150.16—1986,Environmental Test Methods For Military Equipments Vibration Test[S].

[4] GJB 150.16A—2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗法 第16部分:振動試驗[S]. GJB 150.16A—2009 Laboratory Environmental Test Methods for Military Materiel-Part 16:Vibration Test[S].

[5] MIL-STD-810F,國防部試驗方法標準環(huán)境工程考慮和實驗室試驗[S]. MIL-STD-810F,Department Of Defense Test Method Standard-Environmental Engineering Considerations And Laboratory Tests[S].

[6] ADS-51-HDBK,Aeronautical Design Standard Handbook-Rotorcraft and Aircraft Qualification(Raq)Handbook[S].

[7] ADS-27-SP,Aeronautical Design Standard Standard Practice-Requirements for Rotorcraft Vibration Specifications, Modeling and Testing[S].

[8] GJB 4663—1994,軍用直升機懸掛裝置通用要求[S]. GJB 4663—1994,General Requirement for Suspension E-quipment of Military Helicopter[S].

[9] GJB 4824—1998,軍用直升機振動特性要求[S]. GJB 4824—1998,Vibration Characteristics of Military Helicopters[S].

[10]張曾錩,章光裕.直升機載設備飛行振動環(huán)境適應條件設計[J].直升機技術,1996(4):29—34. ZHANG Zeng-chang,ZHANG Guang-yu.Helicopter Borne Equipment Flight Vibration Environment Adaptation Design[J].Helicopter Technology,1996(4):29—34.

[11]孫東紅,郭光海.直升機振動環(huán)境與機載設備振動環(huán)境試驗若干問題的探討[J].航空標準化與質量,2004 (4):47—49. SUN Dong-hong,GUO Guang-hai.Discussion on some Problems of the Helicopter Vibration Environment and Airborne Equipment Vibration Environment Test[J].A-viation Standardization and Quality,2004(4):47—49.

[12]GJB 1063—1991,機載懸掛物懸掛裝置試驗通用要求和方法[S]. GJB 1063—1991,General Testing Requirements and Methods for Airborne Store Suspension Equipment[S].

[13]GJB 150.16—1986,軍用設備環(huán)境試驗方法振動試驗實施指南[S]. GJB 150.16—1986,Environmental Test Methods For Military Equipments Vibration Test Implementation Guide[S].

[14]GJB 150.16A—2009,軍用裝備實驗室環(huán)境試驗法 第16部分:振動試驗宣貫教程[S]. GJB 150.16A—2009,Laboratory Environmental Test Methods for Military Materiel-Part 16:Vibration Test Implement Guideline Follow the Tutorial[S].

[15]孫之釗.直升機動力學手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1991. SUN Zhi-zhao.Handbook of Helicopter Dynamics[M]. Beijing:Aviation Industry Press,1991.

[16]鄒小玲.直升機機載設備環(huán)境試驗剪裁探討[J].直升機技術,2013(4):25—27. ZOU Xiao-ling,Helicopter Airborne Equipment to Environmental Test Tailoring[J].Helicopter Technology,2013 (4):25—27.

[17]QRMS-10,英國國防部標準國防裝備環(huán)境手冊第五部分 誘發(fā)機械環(huán)境[S]. QRMS-10,Department of Defense Standard-Department of Defense Environmental Manual Part 5:Induced Mechanical Environment[S].

Discussion on Helicopter-carrier Equipment Needs to Equiped Different Helicopter Captive Flight Duration Life Evaluation

ZHANG Jiang-tao
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

ObjectiveTo set up a reasonable captive-duration method to examine helicopter-carrier adapting polytype helicopters.MethodsAccording to the helicopter-carrier＇s environment feature and the regulations of relative standard, combined with the ability of the existing vibration control instrument,the sine frequency point of polytype helicopters was stacked to a same random spectrum,and a comprehensive vibration spectrum assessment method about broadband random stacking spectrum with sine sweeping frequency was proposed.ResultsComprehensive vibration spectrum covered the random vibration environment and the sine vibration environment causing by helicopter,organizing one testing could satisfy captive-durations requirement of all the helicopters.ConclusionThe method of comprehensive spectrum resolve the captive-duration of the Helicopter-carrier equipped by different helicopters.

helicopter-carrier;captive flight duration life;comprehensive vibration spectrum

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.011

V325

:A

1672-9242(2014)04-0054-04

2014-03-21;

2014-04-15

Received:2014-03-21;Revised:2014-04-15

張江濤(1980—),男,本科,工程師,主要研究方向為機載設備環(huán)境工程。

Biography:ZHANG Jiang-tao(1980—),Male,Bachelor,Engineer,Research focus:equipment environmental engineering