張祥 張磊 王學軍

摘 要：共軸雙旋翼直升機的地面共振不穩(wěn)定性問題亟待解決，通過動力學模型分析和實際實踐得出，要抑制其地面共振不穩(wěn)定性需要增加其擺振鉸外伸量，增加旋翼和機體的重心距離，增加上下旋翼間距，增加槳葉的葉擺固有頻率等，本文將就解決該問題的幾個關(guān)鍵點做闡述。

關(guān)鍵詞：共軸雙旋翼 直升機 地面共振 不穩(wěn)定性 抑制

共軸雙螺旋槳直升機有著自身的特點，它整體機結(jié)構(gòu)較為緊湊，尺寸較小，這樣的特點讓它更適合作為艦載機來使用。在共軸雙螺旋槳直升機實際使用時在起飛階段容易發(fā)生螺旋槳和地面發(fā)生共振的問題，這樣的問題的發(fā)生對直升機本身和操作員構(gòu)成了威脅，所以必須采取一定的可行性措施來抑制該問題的發(fā)生保障飛行安全。

1直升機參數(shù)對地面共振的影響

共軸雙螺旋直升機地面共振問題的發(fā)生有很大一部分原因是其自身的結(jié)構(gòu)存在問題，分析直升機的參數(shù)對擺振鉸外伸量，下旋翼與機體重心的距離，上下旋翼距離和固有擺振頻率等進行分析，并作出相應(yīng)的調(diào)整對抑制該問題有很大幫助。

1.1擺振鉸外伸量對地面共振穩(wěn)定性的影響

根據(jù)狀態(tài)方程并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的演算推理得出，擺振鉸外伸量的變化會明顯引起地面共振的穩(wěn)定性，并且隨著擺振鉸外伸量的增加，槳葉擺振固有頻率也會隨之增加，不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會隨之提高。從這一點能夠看出擺振鉸外伸量會對共振穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以要在該參數(shù)上作出相應(yīng)的調(diào)整。

1.2旋翼與機體重心距離對地面共振穩(wěn)定性的影響

同樣利用狀態(tài)方程將上下旋翼與機體重心的距離進行演算可以模擬出旋翼與機體重心距離對地面共振穩(wěn)定性的影響，綜合實驗室的實驗結(jié)果可以得出，隨著旋翼與機體重心距離的不斷增加，機體的滾轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率降低，不穩(wěn)定程度也在增加，在這其中存在這一個不穩(wěn)定區(qū)間。所以通過該項數(shù)據(jù)的實驗可以得出旋翼與機體重心距離對地面共振穩(wěn)定性有一定影響，并且隨著旋翼和機體重心距離的增大不穩(wěn)定系數(shù)也在增大。

1.3上下旋翼間距對地面共振穩(wěn)定性的影響

在控制旋翼與機體重心距離保持不變的前提下，在實驗中將上下旋翼的間距進行不斷更改并利用狀態(tài)方程進行擬合可以得出，隨著下旋翼輪轂與機體重心距離的增加，機體的固有頻率改變，這使得直升機本身的的不穩(wěn)定區(qū)間隨之變化，這樣的變化對于控制穩(wěn)定性來講非常重要。所以上下旋翼的間距參數(shù)對于穩(wěn)定性的控制需要多加考慮。

1.4槳葉擺振剛度對于地面共振穩(wěn)定性的影響

綜合實驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)方程計算機模擬情況可以得出，擺振剛度的變化會引起擺振固有頻率的伴隨變化，并且這個變化關(guān)系是正向相關(guān)的，槳葉擺振剛度通過對固有擺振頻率的影響進而影響機體整體的穩(wěn)定性。通過該項數(shù)據(jù)可以得出槳葉擺振剛度對于控制穩(wěn)定性而言也是一項關(guān)鍵參數(shù)。

1.5機體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率對于地面共振穩(wěn)定性的影響

相比于上面幾種參數(shù)對地面共振的影響機體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率的影響是更多樣化的，隨著機體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率的參數(shù)改變通過狀態(tài)方程模擬可以看出機體的固有頻率，阻尼，不穩(wěn)定區(qū)間都在發(fā)生變化，這說明該參數(shù)對穩(wěn)定性的影響是多方面的在設(shè)計時需要綜合多方面來考慮。

2關(guān)于地面共振的被動控制的分析

機體本身的各項參數(shù)會通過影響其固有頻率等來影響其工作時地面共振的穩(wěn)定性，通過機體本身設(shè)計來解決問題是主觀的，相比于機體本身的問題地面所帶來的問題就是相對被動的，不容易改變的，要增強穩(wěn)定性需要考慮在槳葉上安裝擺振阻尼器，通過阻尼器的有效應(yīng)用來減少地面共振問題的發(fā)生。

2.1關(guān)于阻尼器的分析

要想解決地面共振而導(dǎo)致的不穩(wěn)定的問題的發(fā)生，應(yīng)用阻尼器是必須的。目前，我國大部分直升機采用的都是液壓阻尼器或者粘彈阻尼器，這兩種阻尼器的工作原理有一定的區(qū)別，工作適合環(huán)境也有區(qū)別。液壓阻尼器的阻尼力矩和速度的平方成正比關(guān)系，通過流體在阻尼器中的流動與內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦而較少震動而粘彈阻尼器的阻尼力與其位移成正比。

2.2地面共振的被動控制

地面共振的被動控制需要在機旋翼上安裝阻尼器來實現(xiàn)，阻尼器的安裝使得槳葉的擺振剛度獲得提高，從而讓耦合轉(zhuǎn)速更快更穩(wěn)定。應(yīng)用阻尼器還可以提高槳葉的擺振阻尼，讓其工作時與地面的工作共振峰值減少，增加穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中可以采用單阻尼器抑制法，通過液彈阻尼器附加的同效應(yīng)剛度來使槳葉的擺振固有頻率獲得提高，并且隨著旋翼槳葉的阻尼比值的增加共振峰值會得到減小，當上下旋翼和機體的阻尼比為相同倍數(shù)時阻尼峰值降低幅度最大。在實際應(yīng)用中也可以考慮雙阻尼控制法，在上旋翼上加裝不同的阻尼器可以綜合利用不同阻尼器的優(yōu)點，通過實驗數(shù)據(jù)可以得出隨著阻尼比的增加，不穩(wěn)定區(qū)間的轉(zhuǎn)速上限隨之增加，但是轉(zhuǎn)速的下限也會變得更小。當采用相同的阻尼比時隨著剛度的不斷增加不穩(wěn)定區(qū)間的轉(zhuǎn)速趨于一致，但是下限轉(zhuǎn)速會提高這說明在使用雙阻尼器進行控制時要好要附加剛度較大的阻尼器來減少其不穩(wěn)定區(qū)間。

3地面共振的主動控制

利用狀態(tài)反饋的方法來把不穩(wěn)定的系統(tǒng)改造為穩(wěn)定系統(tǒng)就可以實現(xiàn)主動的地面穩(wěn)定控制。

通過增益矩陣的計算和仿真分析可以得出以下結(jié)論：（1）要建立完全可控系統(tǒng)的狀態(tài)空間來實現(xiàn)地面共振主動控制。（2）對于完全可控系統(tǒng)而言通過狀態(tài)反饋控制來設(shè)計反饋矩陣可以使不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。

4共軸雙螺旋直升機地面共振實驗系統(tǒng)設(shè)計

為了更好地實踐理論要設(shè)計出一套可行的實驗系統(tǒng)，這個系統(tǒng)要以能綜合實驗?zāi)Ｐ托?、正反轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、模型機身、萬向節(jié)和阻尼器等性能為前提，測算出剛度、轉(zhuǎn)速和固有頻率等關(guān)鍵參數(shù)，該實驗系統(tǒng)對于整體設(shè)想從理論向?qū)嶋H發(fā)展有重要意義。

總 結(jié)

地面共振控制問題是直升機在設(shè)計時必須要解決的一個關(guān)鍵問題，為了保證起飛的安全和飛機的性能必須要在設(shè)計時對共振問題作出抑制。本文通過對機體本身各項參數(shù)的測算推倒與模擬找出了直升機機體本身的參數(shù)如擺振鉸外伸量，下旋翼與機體重心的距離，上下旋翼距離和固有擺振頻率等對共振的影響，通過增加或者減少這幾個部分的參數(shù)能夠很好地控制共振問題。本文還通過提出通過阻尼器來減少共振問題的發(fā)生在直升機實際設(shè)計時可以綜合兩種阻尼器的不同組合方法和應(yīng)用數(shù)量來找到最合理的應(yīng)用方案。本文的理論希望能進一步得到實踐應(yīng)用。

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