趙天啟

摘?要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，無論是在軍事領(lǐng)域，還是民用領(lǐng)域，我國對于直升機(jī)的使用都在增加，而直升機(jī)事故也因此不斷上升，所以直升機(jī)飛行員的水下逃生訓(xùn)練就成為了直升機(jī)飛行員培訓(xùn)科目中必不可少的項目。為解決我國在該領(lǐng)域落后的現(xiàn)狀，救撈實驗室自行設(shè)計了一臺直升機(jī)水下逃生訓(xùn)練模擬器。而本課題主要使用物理學(xué)知識分析模擬器翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，得到模擬器加速度與翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系后，運用龍格庫塔法在matlab中編寫程序得到模擬艙翻轉(zhuǎn)過程中弧度與時間的圖像，并模擬多種不同配重加載的情況，得到結(jié)果之后將各種情況付諸于實踐。再根據(jù)實驗結(jié)果，對比實驗結(jié)果與仿真計算的差別，分析原因，給出改進(jìn)意見，使模擬器能更早的用于訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)水下逃生;模擬器;仿真計算;水下翻轉(zhuǎn)

1?直升機(jī)水下逃生模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于實驗室直升機(jī)水下逃生訓(xùn)練模擬器的訓(xùn)練對象為救助直升機(jī)機(jī)組人員，且救助直升機(jī)屬于中大型直升機(jī)，機(jī)組人員至少4人，所以實驗室模擬器主體設(shè)計采用長條形逃生模擬器設(shè)計方案。

（1）外部整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。模擬器整體外形為長條形，艙長約4.4m，高約1.4m，艙頭艙尾前后對稱分布，門在模擬器右側(cè)后部，窗戶在模擬器左側(cè)，且門窗都采取敞開式，便于訓(xùn)練時人員逃生。整個模擬器內(nèi)部空間約1.1m3，逃生窗口約0.2m2。墻板高1.4m，長2.55m，半徑0.9m，門規(guī)格108cm×50cm，窗口規(guī)格44cm×54cm。船艙材料采用玻璃鋼，密度2000kg/m3。

圖1

（2）中部軌道設(shè)計。中部導(dǎo)軌位置在整個模擬器中部，整個軌道內(nèi)圓半徑0.9m，外圓半徑1.02m，支撐模擬器，承受載荷。材料為AISI類型316L不銹鋼，密度為8027kg/m3。中部軌道的上安裝有模擬器制動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)模擬器翻轉(zhuǎn)的開始與停止。

（3）浮箱與座椅。艙頭艙尾部分的座椅支承為全封閉結(jié)構(gòu)浮箱單個排水體積為0.04m3，數(shù)量為4，模擬器箱體中部2個單獨座椅支承為底部敞開結(jié)構(gòu)，不是浮箱，而模擬器箱體部分首尾段座椅支承為可充水浮箱結(jié)構(gòu)，且單個浮箱排水體積約為0.2m3，座椅規(guī)格29.5cm×39cm×39.5cm。作為浮箱的座椅支承，其主要作用在于為模擬器提供浮力，既增大模擬器翻轉(zhuǎn)時的翻轉(zhuǎn)力矩，也減少模擬器上方吊臂與鋼纜的載荷。

（4）透水底板。透水底板長約2.5m，寬約0.75m。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3。其主要作用為訓(xùn)練時模擬器入水時加快進(jìn)水速度、回收時加快排水速度，提高訓(xùn)練與實驗效率。

（5）艙頭艙尾。艙頭艙尾前后對稱分布，內(nèi)部空間約1.1m3，逃生窗口約0.2m2。艙頭艙尾上下及前部設(shè)有透水孔，加大訓(xùn)練時單位時間進(jìn)水量、回收時單位時間排水量。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3。艙頭艙尾中可安裝座椅，使得模擬器整體形狀與結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實直升機(jī)艙更加符合的同時，增加一次性訓(xùn)練的人數(shù)。

（6）門側(cè)墻板。門側(cè)墻板高1.4m，長2.55m，半徑0.9m，門規(guī)格108cm×50cm。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3，門側(cè)座位上人員逃生出口為門。

（7）窗側(cè)墻板。窗戶墻板高度1.4m，半徑0.9m，長度2.55m，窗口規(guī)格44cm×54cm。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3，窗側(cè)人員逃生出口為窗口。由于門側(cè)墻板與窗側(cè)墻板的質(zhì)量不同，使得模擬器在未發(fā)生翻轉(zhuǎn)時模擬器重心偏向門側(cè)墻板，讓模擬器有初始的翻轉(zhuǎn)力矩，才能實現(xiàn)模擬器在水的中翻轉(zhuǎn)[5]。

（8）連接圓盤。連接圓盤前后各有一個，起到連接艙頭艙尾與中部箱體的作用。連接圓盤，半徑0.9m，高度1.4m，門規(guī)格95cm×50cm。材料為AISI類型316L不銹鋼。密度為8027kg/m3。

（9）可充水浮箱性質(zhì)。浮箱示意圖如圖2所示，該浮箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，左右兩側(cè)為相同結(jié)構(gòu)。其中S1=0.135122m3，S2=0.127074m3，S3=0.109200m3，而浮箱整體寬度為0.4m，壁厚為10cm，則計算可得，整個浮箱體積為0.15m3。而左右兩側(cè)的分體浮箱的體積為0.06m3，注滿水之后質(zhì)量應(yīng)該在60公斤左右。該浮箱設(shè)計意義在于，在需要時可向其中注水，以調(diào)整模擬器的重心位置，以達(dá)到改變模擬器的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的效果，使得模擬器翻轉(zhuǎn)狀態(tài)的調(diào)整成為可能。

2?仿真計算

有了模擬器的各項參數(shù)后，首先對模擬器進(jìn)行仿真計算，得到在不同情況下模擬器的翻轉(zhuǎn)情況，在實驗之前確定幾種切實可行的配重加載方案，使得實驗有明確的方向，節(jié)約實驗成本與時間。

2.1?模擬器方向定義

原點：模擬器中部軌道中心。

前：模擬器沒有門的一側(cè)為模擬器前部。

后：模擬器門所在的半部分，為模擬器后部。

左：模擬器窗戶所在一側(cè)為左側(cè)。

右：模擬器門所在一側(cè)為右側(cè)。

2.2?模擬器參數(shù)

此次情況為未加任何載荷的情況，如下表所示：

2.3?坐標(biāo)系建立與浮心重心測量

設(shè)艙室中部軌道幾何中心為坐標(biāo)原點，X軸指向艙門一側(cè)，Y軸指向艙頂部，Z軸指向艙前端。根據(jù)solid?works軟件質(zhì)量屬性功能計算得重心坐標(biāo)G（0.34，-35.10，45.18）（mm），坐標(biāo)單位為毫米，如圖4所示：

浮心坐標(biāo)計算，如圖5所示：

（1）浮箱本身關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸Z軸對稱，故X=0;

（2）兩個浮箱關(guān)于X軸對稱，故合成后Z=0。

故只需計算Y軸坐標(biāo)即可，將浮箱由立體轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系下進(jìn)行研究，如圖5所示，將浮箱形狀進(jìn)行分割成規(guī)則形狀，利用船舶靜力學(xué)[8]，推導(dǎo)出以下公式：

yB=2S1y1+2S2y2+S3y32S1+2S2+S3

式中，yB──浮心的Y軸坐標(biāo);

y1──S1面積型心的Y軸坐標(biāo);

y2──S2面積型心的Y軸坐標(biāo);

y3──S3面積型心的Y軸坐標(biāo)。

繼而得出浮箱形心位置B（0，-495，0）（mm），即模擬器浮力心位置。

3?實驗分析

仿真計算完成后，需要進(jìn)行實驗對仿真計算結(jié)果進(jìn)行驗證，根據(jù)仿真結(jié)果，重點進(jìn)行在中部加載配重，前左后右，前右后左三種配重加載形式，而后根據(jù)老師要求，也進(jìn)行了配重全部加載至左側(cè)和右側(cè)的實驗。

實驗情況。該種配重加載情形，首由于實驗室模擬器中間座椅支承未封閉，不能進(jìn)行加水配重，同時實驗室座椅與座椅支承為玻璃鋼難以加載固定的實體配重，因此難以實施，所以并未在實物上實驗該種方案。因此主要介紹其余四種配重加載方式。

（1）前左后右加載方式。實驗結(jié)果：前左后右加載方式，此時模擬器翻轉(zhuǎn)時間在5—6s，較之前有了較大改觀。模擬艙在采取該加載方式翻轉(zhuǎn)較為流暢，翻轉(zhuǎn)平穩(wěn)，與模擬情況相近，基本滿足實驗室翻轉(zhuǎn)要求。但是該種加載條件在翻回時，會出現(xiàn)卡頓狀況，導(dǎo)致翻回產(chǎn)生障礙。原因分析如下：①翻轉(zhuǎn)時間相較仿真計算時更長，首先是因為仿真計算時并未考慮水阻力，以及剎車與中部圓環(huán)軌道的摩擦力，因此翻轉(zhuǎn)時間比計算時更長，且翻回時模擬器受到阻礙。②仿真計算時只將整個模擬器看作圓柱體，而由于實際情況中，模擬器的艙頭與艙尾，與模擬器艙室是由連接圓盤進(jìn)行連接，當(dāng)模擬器在水中旋轉(zhuǎn)時，會在其接口部分產(chǎn)生渦旋，阻礙模擬器翻轉(zhuǎn)與翻回。③實驗室剎車采用雙作用氣缸制動系統(tǒng)作為制動機(jī)構(gòu)的動力裝置，兩個氣缸之間如果出現(xiàn)反應(yīng)時間不同，則可能造成剎車與軌道產(chǎn)生一定角度，這樣就會使得摩擦力加大，甚至卡死，如此一來就會使得模擬器難以翻回。④當(dāng)模擬器翻轉(zhuǎn)完成后，如果不及時剎車停住模擬器，模擬器會在水阻力與摩擦力的共同作用逐漸趨于平衡，由之前3.4分析可知，模擬器的平衡位置是在模擬器翻轉(zhuǎn)后底部向上的某一位置，所以當(dāng)模擬器翻轉(zhuǎn)完成后，如果不及時剎車，極其容易造成模擬器難以翻回的情況。⑤后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)后右側(cè)的浮箱存在漏水的情況。因此在實驗過程可能當(dāng)浮箱翻轉(zhuǎn)過程中，與浮箱翻轉(zhuǎn)完成后，浮箱可能會將其中的一部分水漏出，這樣就會改變原先的配重，對翻轉(zhuǎn)實驗產(chǎn)生較大的影響。

（2）前右后左加載方式。實驗結(jié)果：根據(jù)仿真模擬計算的結(jié)果來看，該加載方式與前左后右加載翻轉(zhuǎn)時所形成的效果相近。從實驗結(jié)果來看，如果能順利進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動時間依然為5—6s，與前左后右的加載方式將近。但該種方式所產(chǎn)生的問題為，模擬器難以順利地進(jìn)行初始翻轉(zhuǎn)[12]。原因分析如下。①這種配重加載，首先加大了模擬器的自身重量，使得模擬器自身的轉(zhuǎn)動慣量大大增加，所以要使得模擬器轉(zhuǎn)動就需要比原先更大的力矩，所以模擬器初始轉(zhuǎn)動就產(chǎn)生了障礙。②模擬計算時并未考慮水阻力，所以在此情況下極有可能造成由于水阻力而使得翻轉(zhuǎn)力矩為0的情況。③由于前右后左的加載方式，是在整個模擬器質(zhì)量最大的右前側(cè)，使得模擬器翻轉(zhuǎn)時，右前傾較為嚴(yán)重，這樣就可能導(dǎo)致滑輪與導(dǎo)軌產(chǎn)生一定的角度，增到滑輪與導(dǎo)軌的摩擦力，甚至當(dāng)兩者之間的角度較大時可能會出現(xiàn)滑輪與導(dǎo)軌完全卡死的情況。

（3）同右側(cè)加載方式。實驗結(jié)果：與仿真計算時一樣，由于在未加載任何載荷的初始情況下，右側(cè)（即門側(cè)）就相較左側(cè)（窗側(cè)）較重，所以這種配載方式會造成嚴(yán)重的右傾斜。在是實驗時，模擬艙在翻轉(zhuǎn)前就有大約將近20°的右傾，且此時翻轉(zhuǎn)時間在3—4s。雖然質(zhì)量加大后轉(zhuǎn)動慣量加大，使得轉(zhuǎn)動過程中翻轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，但由于側(cè)傾嚴(yán)重，首先艙內(nèi)人員的安全會有隱患，其次側(cè)傾嚴(yán)重時翻轉(zhuǎn)速度也會變快，再次同樣由于轉(zhuǎn)動慣量過大的問題，無論翻轉(zhuǎn)還是翻回，在到達(dá)平衡前晃蕩都會較為嚴(yán)重，對吊臂與鋼纜造成沖擊。原因分析如下：①此時模擬器的重心在原點右側(cè)許多，所以翻轉(zhuǎn)力矩就會大很多，因此此時翻轉(zhuǎn)速度就會加快。②由于此時整個模擬器重量增大，其慣性就會增大所以模擬器翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的沖擊就會增大，對鋼纜產(chǎn)生的沖擊就會增大。

4?結(jié)論

直升機(jī)水下逃生訓(xùn)練模擬器，對于我國救撈事業(yè)空中救援的發(fā)展有著十分重要的意義。經(jīng)過仿真計算以及實驗檢測后，發(fā)現(xiàn)仿真中對于模擬器的前左后右，前右后左的配重加載方案對于模擬器翻轉(zhuǎn)情況有較明顯的改觀。但是在改進(jìn)翻轉(zhuǎn)問題時，又出現(xiàn)了新的問題，比如初始翻轉(zhuǎn)與翻回時會出現(xiàn)模擬器卡死的情況，對這些情況，本文也進(jìn)行了分析，比如由于浮箱漏水導(dǎo)致模擬器在使用過程中重量發(fā)生變化，以及制動機(jī)構(gòu)的安裝存在問題等等，針對這些存問題也給出了一些解決意見，希望能給實驗室直升機(jī)水下逃生訓(xùn)練模擬器的改進(jìn)做出貢獻(xiàn)。

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