費景榮，李冀鑫，雷衛(wèi)東

(海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264000 )

0 引言

艦面共振是指艦載直升機在艦上起降過程中，旋翼擺振后退模態(tài)與機體在起落架上的模態(tài)耦合產生的不穩(wěn)定自激振動現(xiàn)象。它會造成機體損傷和人員傷害。2013年，某部一架卡型機發(fā)生了艦面共振事故；此前，印度一架卡-31也發(fā)生艦面共振事故。兩起事故表明，出現(xiàn)艦面共振后留給飛行員處置的時間約3s～4s。要在如此短的時間內做出正確判斷并獨立完成規(guī)定的處置動作，要求極高，難度很大。因此，有效地預防艦面共振就成為保證安全的關鍵。

鑒于卡型機的有關資料沒有專門針對艦面共振的預防措施，地面共振的預防僅限于維護方面，且維護沒有考慮到載艦、海況特點及操縱，本文就上述問題進行初步分析。

1 直升機的艦(地)面共振簡介

1.1 艦(地)面共振的基本機理

艦面共振與地面共振的機理相同，其內因是直升機存在兩個相互關聯(lián)的振動系統(tǒng)：槳葉擺振后退型擺振系統(tǒng)和機身-起落架振動系統(tǒng)。如果上述兩個振動系統(tǒng)的頻率接近或相同，且系統(tǒng)阻尼不足時，在外界擾動激勵下，就進入旋翼擺振與機體相互激振加劇狀態(tài)，旋翼擺動能量不斷積累(來源是發(fā)動機)，直至旋翼、機體損壞為止?？梢?，發(fā)生地面共振的四個條件是：外界擾動、兩振動系統(tǒng)頻率接近或相同；振動阻尼不足、振動能量足夠。

1.2 艦(地)面共振的鮮發(fā)性、偶發(fā)性特點

艦(地)面共振是直升機研制階段需重點解決的問題之一，因而定型后的直升機都可以保證在正常條件下飛行不會發(fā)生，屬于小概率事件，具有鮮發(fā)性特點。據統(tǒng)計，除卡型機外，我陸、海、空軍現(xiàn)役其它直升機未發(fā)生過地(艦)面共振。

其次，艦面共振的發(fā)生需要同時滿足上述四個條件，涉及因素多，變化多。只有飛行環(huán)境、裝備狀況和飛行操縱等因素相互影響，滿足了所有條件才能發(fā)生共振。因而，直升機艦面共振又有偶發(fā)性特點。

2 卡型機艦面共振特性的弱點

受各種設計參數(shù)權衡的影響，各型直升機避免地(艦)面共振的轉速裕度和阻尼裕度存在差別，艦面共振特性也各有特點。如卡型機已發(fā)生兩起艦面共振事故，直五、“云雀”直升機也曾發(fā)生多起地面共振，但我陸、海、空軍現(xiàn)役其他直升機從未發(fā)生過。卡型機艦面共振特性有如下弱點。

2.1 卡型機艦面共振特性相對較差

2.1.1 摩擦式減擺器的阻尼特性較差

阻尼特性是影響地(艦)面共振的一個基本因素?？ㄐ蜋C的共軸雙旋翼結構不便于設置槳葉液壓減擺器，因而采用了摩擦式減擺器。圖1、圖2是兩類減擺器阻尼特性示意圖?？梢?，摩擦式減擺器的當量線性阻尼系數(shù)隨旋翼擺振幅度的增加而迅速減小，即旋翼的阻尼裕量較小，艦面共振特性相對較差。

圖1 摩擦式減擺器當量線性阻尼系數(shù)

圖2 液壓式減擺器當量線性阻尼系數(shù)

2.1.2 無魚叉不利于增大接艦后機體的滾轉剛度和阻尼

研究表明：魚叉系留時，起落架壓縮量增大，機體的滾轉剛度和阻尼增大，發(fā)生艦面共振的動不穩(wěn)定轉速區(qū)域減小，有利于預防艦面共振[1]?？ㄐ蜋C無魚叉裝置，不利于預防艦面共振。

2.2 復雜海況下卡型機接艦狀態(tài)變化明顯不利于預防艦面共振

無論單旋翼還是共軸式直升機，在復雜海況特別是側風條件下著艦下降，距甲板較近時，受甲板渦流和“艦面效應”的影響，都會出現(xiàn)搖晃。因為，如圖3，迎風一側甲板上空的部分旋翼外部受到較強上洗流、側洗流影響；同時，背風一側甲板上空的部分旋翼則受到較強的渦流負壓區(qū)的影響[2-3]，易加劇直升機搖晃；其次，在搖晃過程中，左右兩側的部分旋翼距甲板距離及“艦面效應”的變化，也加劇直升機搖晃。

但與單旋翼直升機比，由于共軸式直升機有兩副旋翼，拉力特性好，且旋翼對重心的力臂較大，對甲板渦流和“艦面效應”響應更明顯，搖晃更劇烈。其次，卡型機機身扁平、雙垂尾、雙旋翼、機身重心高，對側風響應也明顯，也加劇了復雜氣象條件下著艦狀態(tài)的變化。據飛行員反映，在復雜海況下，卡型機在甲板較低的艦上降落時，狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象較常見。其中，最典型的事例是2012年5月30日，我海軍一架卡型機在著艦過程中，因海況較差，直升機劇烈搖晃，連續(xù)三次才著艦成功，曾引起廣泛關注。而直九、直八直升機著艦狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象較少。需要說明的是，據卡型機兩起艦面共振的視頻可以看出，其直接誘因都是接艦狀態(tài)不穩(wěn)、帶坡度重接艦(共振動態(tài)也相同)。

圖3 有側風時甲板上空渦流示意圖

2.3 卡型機艦面共振處置難度較大

因卡型機從著艦到劇烈振動，僅有3s～4s，而其發(fā)動機停車手柄在中央操縱臺左側，由左座飛行員操縱。當振動時，飛行員右手不能離開駕駛桿以控制狀態(tài)，防止翻倒，左手操縱總距桿，要在3s～4s內正確判斷艦面共振并通過左手獨立完成規(guī)定的關車和上提總距桿動作，要求極高，難度很大。且直升機進入劇烈振動時，飛行員行為能力明顯下降，無法有效處置，對某當事機組詢問的答案證實了這一點。

此外，直升機正常著艦時往往存在一定振動，艦不穩(wěn)定時振動較明顯且無固定規(guī)律，這就給區(qū)分正常振動和艦面共振帶來較大難度。卡型機現(xiàn)有技術資料缺乏明確的艦面共振判定依據，加之艦面共振屬小概率事件，飛行員沒有處置經驗，飛行員要在緊急情況下迅速判斷出艦面共振很困難。根據某事故卡型機著艦后戰(zhàn)術指揮長給出系留手勢和對當事機組的詢問，當事機組在振動初期沒有意識到發(fā)生共振。

卡型機發(fā)生艦面共振后判斷、處置的難度較大，決定了預防艦面共振是保證安全的關鍵。

3 兩起卡型機艦面共振過程分析

從卡型機的兩起艦面共振事故視頻可知，其接艦動態(tài)具有共同特點：都表現(xiàn)為直升機著艦下降中出現(xiàn)了明顯前后左右搖晃；接艦前直升機右傾、下俯，致使帶右坡度右主輪先重接艦，接著右前輪、左前輪、左主輪接艦；接艦后開始小幅振蕩，約6s后振動明顯增強，機頭明顯順時針偏轉，機身左側移動。約10s后機身損毀、槳葉折斷。

可見，接艦狀態(tài)不穩(wěn)、帶坡度、俯角單輪重接艦是艦面共振的直接原因。其中，“右主、右前、左前、左主輪依次接艦與機頭順時針偏轉”的動態(tài)具有共性，其對艦面共振的誘發(fā)過程可大致分為激起振動、小幅共振、振動發(fā)散三個階段。

1)激起振動：“右主、右前、左前、左主輪依次重接艦”，必然引起與接艦機輪相同位置處的槳葉附加的向下?lián)]舞與后擺，依次產生附加的離心激振力與振動；由于滿足艦面共振的頻率是一個范圍，因而若機體振動頻率在變化中接近旋翼激振頻率，兩者就會相互激勵，激起小幅振動。

2)小幅振動：由于軸流狀態(tài)共軸式直升機的下旋翼受上旋翼的干擾，工作環(huán)境惡劣，旋轉阻力與反作用力矩大于上旋翼[4-5]，因而在小幅振動過程中，隨著旋翼運動的混亂加劇，下旋翼向左的反作用力矩不斷增大，機頭逐步順時針偏轉，旋翼槳轂中心也隨機身同步順時針轉動；而由于槳葉與旋翼旋轉軸之間通過關節(jié)相連，不能與槳轂中心同步轉動，因而順時針旋轉的上旋翼槳葉出現(xiàn)了相對槳轂中心的附加后退型擺振，增大了離心激振力與振動能量。其次，上旋翼的力臂大，傳給機身的振動能量大；加之卡型機阻尼特性差，導致前6s內振動能量逐漸接近阻尼，處于小幅臨界振動狀態(tài)。

3)振動發(fā)散：由于共振運動的非線性特點，小幅振動中可能因某個原因阻尼減小，致使由臨界狀態(tài)發(fā)散，演變?yōu)楣舱瘛?/p>

4 對預防卡型機艦面共振的探討

由于艦面共振誘因與事故鏈的環(huán)節(jié)都較多，加之卡型機艦面共振特性相對較差，因而其預防措施也涉及人、機、環(huán)多個方面。

4.1 加強兩個振動系統(tǒng)相關部件的維護，奠定預防基礎

兩個振動系統(tǒng)相關部件處于正常狀態(tài)，是避免艦面共振的基礎。而直升機振動源、振動類型多，海上環(huán)境等都對部件壽命產生不利影響。為此，應通過日常檢查、維護，重點保證起落架(充填壓力、充油)、減擺器的阻尼性能，符合設計要求；垂直關節(jié)連接牢靠，無間隙、無變形；靜態(tài)摩擦力應符合規(guī)定；緩沖支柱內高、低壓腔的充氣壓力應符合規(guī)定；輪胎充氣壓力應符合規(guī)定(須隨環(huán)境、氣溫調整)。

其次，由于旋翼槳葉外形及拉桿、調整片等部件異常往往牽一發(fā)動全身，引起直升機狀態(tài)變化，因而還應按規(guī)定做好旋翼打錐體工作，并需注意檢查、維護上述部件，以避免出現(xiàn)旋翼脫錐。

4.2 針對艦機適配性特點，采取針對性預防措施

兩起卡型機的事故都證明，接艦狀態(tài)異常，是艦面共振的直接誘因。而接艦狀態(tài)與艦機適配性直接相關。據飛行員反映，在復雜海況下，卡型機著艦狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象多出現(xiàn)在甲板較低、外形規(guī)則的某類載艦上。除本次事故外，表1中的三次典型情況也充分證明了這一特點。因而提高其艦機適配性具有現(xiàn)實緊迫性。

表1 不同載艦甲板對卡型機著艦狀態(tài)影響的典型事例

直升機著艦的艦機適配性主要涉及艦型和甲板合成風速、風向。其特點需要借助于理論分析、甲板渦流特性試驗及實測。目前，國內的工作仍不能滿足需要，因而可借助實踐經驗提高艦機適配性。

4.3 著眼三個階段正確操縱處置，把握預防最后環(huán)節(jié)

實踐證明，直升機接艦狀態(tài)不穩(wěn)與接艦重是艦面共振的直接誘因。但著艦過程的各階段又相互關聯(lián)，同時還受甲板渦流影響。因此，從預防艦面共振的角度，著艦過程應滿足：平穩(wěn)垂直下降、輕穩(wěn)接艦、接艦后視情操縱。

4.3.1 垂直下降中的正確操縱

首先，復雜海況著艦，機組要從心理、方法上隨時做好復飛準備。艦艇縱橫搖較大或艦尾氣流使直升機狀態(tài)不穩(wěn)時，若條件不具備，應從飛行甲板退出，在艦尾等待平穩(wěn)期再次著艦。

其次，直升機下降搖晃時修正動作不宜大，應及時回桿。因為，直升機有一定的橫側穩(wěn)定性，且直升機搖晃時艦面效應的變化也起到穩(wěn)定姿態(tài)的作用；另一方面，前飛速度較小時，直升機的操縱反應較慢，如果修正量過大，可能加劇狀態(tài)發(fā)散。

再次，保持有利的接艦姿態(tài)。一是應盡可能輕穩(wěn)接艦。須認識到，直升機在下降中出現(xiàn)搖晃時，快著艦不等于重著艦，快放總距不等于粗放總距，即放總距應及時、柔和，接艦瞬間可視情稍補點總距，以盡量減小接艦時的下降率。二是應注意避免“機輪依次重接艦”。由于直升機接艦下降中搖晃時，下降率容易大，在俯仰穩(wěn)定力矩作用下機頭必然下俯，因而一側主輪接艦前后應適量帶桿，避免隨后前輪重接艦。

4.3.2 接艦后視情正確處置

第一，如果接艦重，直升機狀態(tài)明顯不穩(wěn)，但艦搖晃較小，可先將發(fā)動機置于慢車狀態(tài)，并關飛控系統(tǒng)，再系留直升機。

盡管目前卡型機著艦后是在“自動”狀態(tài)進行系留的，這里有直升機接艦后艦船劇烈搖晃時修正或緊急離艦的考慮，但在“慢車”狀態(tài)系留有三個優(yōu)點：一是有關研究結果表明，旋翼拉力增加，起落架的壓縮量減小，機體的滾轉剛度和阻尼減小，艦面共振的動不穩(wěn)定轉速區(qū)域增大，不利于預防艦面共振[1]；二是慢車狀態(tài)發(fā)動機功率小，共振能量小；三是由于直升機在地面傾斜后，旋翼拉力起不穩(wěn)定作用，重力起穩(wěn)定作用；慢車狀態(tài)旋翼拉力與其不穩(wěn)定作用較自動狀態(tài)小，直升機搖晃幅度也小，加之艦搖晃較小這一前提條件，已沒有緊急離艦的必要。將發(fā)動機至于慢車狀態(tài)系留，既有利于預防艦面共振，也避免了采用立即關車的方法可能對發(fā)動機造成的損傷，因而是預防艦面共振一個較實用的措施。其次，直升機振動時，飛控系統(tǒng)不斷調整以穩(wěn)定姿態(tài)，很易在調整中對旋翼產生激勵，誘發(fā)艦面共振。

第二，如果發(fā)現(xiàn)振動有明顯增大趨勢，應果斷關車，并上提總距。

5 結束語

1)分析表明，卡型機的艦面共振特性較差；且在復雜海況下降落于低甲板載艦時狀態(tài)不穩(wěn)，不利于預防艦面共振。鑒于卡型機的護航、演習等任務日益繁重，有效預防艦面共振是卡型機面臨的一個重要問題。

2)卡型機艦面共振的預防措施涉及到艦機適配性、直升機維護、著艦操縱策略等諸多問題。其中，增強艦機適配性是根本性對策。

3)在卡型機艦機適配性難以完全滿足的現(xiàn)狀下，如果以較大側風降落于低甲板的載艦，且艦搖晃不明顯，在“慢車”狀態(tài)系留直升機，是預防艦面共振一個較實用的措施。

4)從已發(fā)生的兩起卡型機艦面共振事故看，艦的縱橫搖(國內事故分別為0.3°、1°)及對共振影響可忽略，因而這兩起事故實際上仍屬于地面共振。因此，卡型機地面共振預防也不容忽視。