李昌明

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安710089）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)直升機(jī)事業(yè)蓬勃發(fā)展，直升機(jī)型號(hào)越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)直升機(jī)帶外掛武器的型號(hào)也發(fā)展迅速，已有直升機(jī)配套多種反坦克、反潛（艦）導(dǎo)彈及外掛型號(hào)。國(guó)內(nèi)對(duì)于直升機(jī)外掛特性的各種研究也逐步開(kāi)展：夏良[1]對(duì)直升機(jī)武器外掛和發(fā)射對(duì)穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響進(jìn)行了分析，其研究發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)外掛武器之后，全機(jī)的氣動(dòng)力、氣動(dòng)力矩重心位置、慣性矩等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，橫向參數(shù)變化比縱向更加明顯，發(fā)射武器會(huì)使直升機(jī)原始平衡狀態(tài)破壞，基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)周期性的振蕩。汪凱蔚等[2]對(duì)直升機(jī)的外掛可靠性試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。侯雪劍等[3]對(duì)直升機(jī)的隱身設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)研究。龍海斌等[4]對(duì)無(wú)人直升機(jī)的組合外掛體采用CFD計(jì)算方法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算研究了不同的導(dǎo)彈發(fā)射安裝角和機(jī)身側(cè)滑角以及無(wú)掛載狀態(tài)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響。龍海斌[5]采用RANS方法對(duì)帶外掛武器裝備的輕型無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算，結(jié)果表明掛梁和掛架對(duì)外掛武器裝備氣動(dòng)特性的影響比較大。龍海斌等[6]針對(duì)外掛武器對(duì)無(wú)人直升機(jī)縱向氣動(dòng)特性影響的問(wèn)題，采用NS方程計(jì)算方法，對(duì)加裝武器系統(tǒng)前后，不同前飛速度、武器安裝角和掛載狀態(tài)下的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，采用懸臂梁外掛方式加裝武器對(duì)阻力有顯著影響，前飛速度和武器發(fā)射安裝角變化對(duì)縱向氣動(dòng)特性幾乎沒(méi)有影響。外掛武器安裝位置和數(shù)量變化對(duì)無(wú)人直升機(jī)的縱向氣動(dòng)特性影響很小。直升機(jī)掛載武器一般分為機(jī)外單側(cè)外掛魚雷或?qū)棥㈦p側(cè)外掛魚雷或?qū)椇蜋C(jī)內(nèi)懸掛機(jī)槍等幾種方式。其中，機(jī)外雙側(cè)外掛武器為常見(jiàn)的外掛構(gòu)型，可掛載的武器有魚雷、深彈、地空彈、空空彈等。李保平[7]把武裝直升機(jī)的外掛武器主要分為：反坦克導(dǎo)彈、航空火箭、空空導(dǎo)彈、航空機(jī)關(guān)炮和機(jī)槍等。如果執(zhí)行反潛任務(wù)，則可掛載反潛魚雷和深水炸彈。掛載武器后，會(huì)對(duì)直升機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性、平衡機(jī)動(dòng)特性、平飛性能、爬升性能等方面產(chǎn)生影響。

文中的雙側(cè)外掛構(gòu)型是指直升機(jī)掛載兩枚魚雷的構(gòu)型，即直升機(jī)每側(cè)掛載一枚相同重量、形狀、統(tǒng)一掛載方式的魚雷，掛載后，直升機(jī)的氣動(dòng)外型由公式發(fā)生改變，主要影響了直升機(jī)的阻力。本文以某型直升機(jī)為例，研究了本直升機(jī)在某一高度，直升機(jī)外掛兩枚魚雷與無(wú)外掛構(gòu)型平飛性能相關(guān)參數(shù)，給出了雙側(cè)外掛對(duì)直升機(jī)的需用功率、巡航速度、最大平飛速度、經(jīng)濟(jì)速度、航程、航時(shí)等相關(guān)直升機(jī)飛行性能參數(shù)的影響。

1 應(yīng)用動(dòng)量理論的直升機(jī)平飛性能分析

水平直線飛行（簡(jiǎn)稱平飛）是直升機(jī)重要的使用狀態(tài)，平飛性能是直升機(jī)的基本性能之一。確定直升機(jī)在不同高度上的飛行速度是直升機(jī)平飛性能試驗(yàn)的主要任務(wù)。平飛性能試驗(yàn)需要確定完整的直升機(jī)——發(fā)動(dòng)機(jī)組合特性，這個(gè)組合特性包括直升機(jī)平飛需用功率特性、發(fā)動(dòng)機(jī)可用功率特性和飛行包線等。還應(yīng)確定直升機(jī)氣動(dòng)構(gòu)型、飛行重量和重心位置、飛行狀態(tài)、大氣條件和旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)平飛性能的影響[8]。

對(duì)于直升機(jī)的平飛性能試驗(yàn)，可以應(yīng)用動(dòng)量理論[9]分析平飛飛行中影響直升機(jī)的因素。圖1顯示了在氣流通過(guò)平飛作動(dòng)量盤時(shí)出現(xiàn)的速度變化。

圖1 應(yīng)用于平飛旋翼的動(dòng)量盤理論

通過(guò)作用在重心上諸力的平衡開(kāi)始分析：

其中重量W是拉力T的垂向分量，拉力的水平分量形成阻力D，角度γ是槳盤平面垂向方向與直升機(jī)拉力的夾角，ρ為空氣密度，S為迎風(fēng)阻力面積。

應(yīng)用橢圓機(jī)翼相似：

由公式（4）、（5）可得：

當(dāng)水平速度增加時(shí)，誘導(dǎo)速度減小。在中～高速度時(shí)，公式（6）可以簡(jiǎn)化為：

平飛時(shí)的需用功率：

即在中～高前飛速度范圍內(nèi)，平飛需用功率為誘導(dǎo)功率、型阻功率、廢阻功率之和，如圖2所示。在經(jīng)濟(jì)速度之前，直升機(jī)的需用功率以誘導(dǎo)功率為主，型阻功率小于誘導(dǎo)功率，廢阻功率占比最小。當(dāng)隨速度增大時(shí)，型阻功率緩慢增加，廢阻功率急劇增大，誘導(dǎo)功率減小。型阻功率在整個(gè)速度范圍內(nèi)，隨速度的增加緩慢增加，但增加的量值較小。

圖2 直升機(jī)需用功率示意圖

當(dāng)直升機(jī)雙側(cè)外掛魚雷時(shí)，如圖3所示，相比于無(wú)外掛構(gòu)型，直升機(jī)的氣動(dòng)外型改變，迎風(fēng)阻力面積增大，阻力系數(shù)增大，型阻和廢阻會(huì)隨之增加。本文所使用的直升機(jī)外掛構(gòu)型，外掛魚雷的位置在直升機(jī)縱向方向上，位于直升機(jī)縱向重心之前，掛載魚雷后，直升機(jī)的重心位置前移，則平飛時(shí)，相比于無(wú)外掛構(gòu)型，會(huì)使直升機(jī)低頭，俯仰角減小，直升機(jī)的拉力與垂向方向的夾角γ增加，使直升機(jī)拉力增大。但是，由公式（7）可知，夾角γ增加后，直升機(jī)的誘導(dǎo)速度隨之減小，則直升機(jī)的誘導(dǎo)功率也會(huì)隨之減小。

圖3 直升機(jī)雙側(cè)外掛示意圖

當(dāng)直升機(jī)前飛速度小于經(jīng)濟(jì)速度的時(shí)候，誘導(dǎo)功率在整個(gè)需用功率中占比最大，直升機(jī)雙側(cè)外掛構(gòu)型時(shí)，誘導(dǎo)速度的減小，使誘導(dǎo)功率也相對(duì)減小，相比于直升機(jī)無(wú)外掛構(gòu)型，整個(gè)直升機(jī)的需用功率也會(huì)減小。

2 飛行試驗(yàn)與分析

平飛性能試驗(yàn)的主要試飛方法是穩(wěn)定平飛法，穩(wěn)定平飛法是在規(guī)定高度上進(jìn)行穩(wěn)定平飛。該方法是在規(guī)定高度，以要求的飛行重量，保持高度不變，以步長(zhǎng)10km/h～20km/h的飛行速度進(jìn)行飛行試驗(yàn)。在每個(gè)飛行狀態(tài)記錄直升機(jī)飛行參數(shù)、大氣參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，其穩(wěn)定記錄時(shí)間不應(yīng)小于1min。

本文以某型直升機(jī)為例，對(duì)比了直升機(jī)無(wú)外掛構(gòu)型和雙側(cè)外掛兩枚魚雷構(gòu)型，在相同重量條件下，在同一飛行高度，相同大氣條件下的飛行速度、需用功率、油耗、俯仰角等相關(guān)飛行參數(shù)。直升機(jī)在掛裝兩枚魚雷后，掛點(diǎn)位置在直升機(jī)重心之前，會(huì)使直升機(jī)重心前移。在前飛時(shí)，相比于無(wú)外掛構(gòu)型，重心前移將使直升機(jī)的俯仰角減小。

圖4給出了直升機(jī)在同一氣壓高度上外掛兩枚魚雷構(gòu)型和無(wú)外掛構(gòu)型飛行試驗(yàn)直升機(jī)俯仰角試飛結(jié)果。由圖4可以看出，當(dāng)直升機(jī)具有相同的前飛速度時(shí)，直升機(jī)無(wú)外掛構(gòu)型的俯仰角要大于直升機(jī)外掛兩枚魚雷構(gòu)型的俯仰角。

圖4 兩種外掛構(gòu)型的俯仰角對(duì)比

圖5給出了某型直升機(jī)在某氣壓高度上外掛兩枚魚雷構(gòu)型和無(wú)外掛構(gòu)型飛行試驗(yàn)平飛需用功率曲線試飛結(jié)果。由圖5可以看出：對(duì)于經(jīng)濟(jì)速度，即最小需用功率對(duì)應(yīng)的速度，雙側(cè)外掛構(gòu)型的經(jīng)濟(jì)速度小于無(wú)外掛構(gòu)型的經(jīng)濟(jì)速度；對(duì)于相同需用功率下的最大平飛速度，外掛兩枚魚雷構(gòu)型平飛速度小于無(wú)外掛構(gòu)型平飛速度。當(dāng)小于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型的需用功率大于外掛兩枚魚雷構(gòu)型的需用功率。

圖5 兩種外掛構(gòu)型的平飛需用功率對(duì)比

對(duì)于最小需用功率，無(wú)外掛構(gòu)型為48.60，雙側(cè)外掛構(gòu)型為48.46，即直升機(jī)具有雙側(cè)外掛后，最小需用功率略小于無(wú)外掛構(gòu)型最小需用功率。這是由于直升機(jī)的需用功率由誘導(dǎo)功率、型阻功率、廢阻功率三部分組成造成的，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，由于雙側(cè)外掛直升機(jī)的俯仰角減小，造成直升機(jī)經(jīng)濟(jì)速度減小，其誘導(dǎo)功率一直小于無(wú)外掛直升機(jī)誘導(dǎo)功率。但是掛載魚雷后，造成直升機(jī)的型阻和廢阻增加，在小速度時(shí)，型阻和廢阻的增加值小于誘導(dǎo)功率的減小值，則造成小速度范圍內(nèi)，雙側(cè)外掛直升機(jī)需用功率小于無(wú)外掛直升機(jī)的需用功率。在大速度時(shí)，直升機(jī)的需用功率以廢阻功率和型阻功率為主，誘導(dǎo)功率占比很小，造成雙側(cè)外掛直升機(jī)的需用功率大于無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的需用功率。當(dāng)直升機(jī)的需用功率三個(gè)組成部分之和最小時(shí)，造成無(wú)外掛構(gòu)型和雙側(cè)外掛構(gòu)型直升機(jī)的需用功率基本相同。

由表1可知，當(dāng)直升機(jī)具有相同的可用功率時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型的平飛速度大于雙側(cè)外掛構(gòu)型直升機(jī)的平飛速度，當(dāng)直升機(jī)在較大速度，具有相同的需用功率時(shí)，兩種外掛構(gòu)型的速度差值變化較小，兩條擬合曲線基本平行。當(dāng)直升機(jī)的速度大于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，隨直升機(jī)速度的增加，直升機(jī)需用功率也增加。雙側(cè)外掛構(gòu)型的直升機(jī)需用功率增加速度與無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)需用功率速度相當(dāng)，但其需用功率在相同速度時(shí)一直大于無(wú)外掛構(gòu)型的需用功率。這是由于直升機(jī)在較大速度飛行時(shí)，廢阻功率增加較大，雙側(cè)外掛構(gòu)型的直升機(jī)廢阻大于無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的廢阻所致。在整個(gè)可用功率范圍內(nèi)，無(wú)外掛構(gòu)型的最大平飛速度要大于雙側(cè)外掛構(gòu)型的最大平飛速度。

表1 直升機(jī)平飛速度對(duì)比

圖6給出了直升機(jī)在同一氣壓高度上的雙側(cè)外掛構(gòu)型和無(wú)外掛構(gòu)型飛行試驗(yàn)平飛小時(shí)油耗曲線試飛結(jié)果。由此可以看出，小時(shí)油耗曲線與需用功率曲線基本趨勢(shì)一致。即：對(duì)于經(jīng)濟(jì)速度，外掛兩枚魚雷構(gòu)型的經(jīng)濟(jì)速度小于無(wú)外掛構(gòu)型的經(jīng)濟(jì)速度，趨勢(shì)跟圖5一致；對(duì)于相同小時(shí)油耗下的最大平飛速度，外掛兩枚魚雷構(gòu)型平飛速度小于無(wú)外掛構(gòu)型平飛速度。當(dāng)小于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型的小時(shí)油耗大于外掛兩枚魚雷構(gòu)型的小時(shí)油耗。對(duì)于最小小時(shí)耗油量，雙側(cè)外掛構(gòu)型規(guī)格化數(shù)值為651.99，無(wú)外掛構(gòu)型為652.22，雙側(cè)外掛構(gòu)型小時(shí)耗油量略小于無(wú)外掛構(gòu)型的小時(shí)耗油量。

圖6 兩種外掛構(gòu)型的平飛小時(shí)油耗對(duì)比

由表2可知，當(dāng)直升機(jī)具有相同的可用燃油時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型的續(xù)航時(shí)間與雙側(cè)外掛直升機(jī)的續(xù)航時(shí)間基本相同，這是由于雙側(cè)外掛直升機(jī)最小小時(shí)油耗與無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的油耗基本相同?？梢?jiàn)，在直升機(jī)具有雙側(cè)外掛，直升機(jī)外掛兩枚魚雷時(shí)，直升機(jī)的最小小時(shí)油耗不一定會(huì)增大，但最小小時(shí)油耗對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)速度一定會(huì)發(fā)生變化。

表2 直升機(jī)續(xù)航時(shí)間對(duì)比

圖7給出了直升機(jī)在相同飛行重量，同一氣壓高度上的雙側(cè)外掛構(gòu)型和無(wú)外掛構(gòu)型飛行試驗(yàn)單位功率耗油率曲線試飛對(duì)比結(jié)果。由圖7可知，單位功率耗油率的最大值在經(jīng)濟(jì)速度處，雙側(cè)外掛構(gòu)型的最大單位功率油耗為0.609，無(wú)外掛構(gòu)型的最大單位功率油耗為0.608，兩者基本相同。當(dāng)前飛速度大于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，雙側(cè)外掛構(gòu)型的單位功率油耗小于無(wú)外掛構(gòu)型單位功率油耗，即直升機(jī)具有雙側(cè)外掛時(shí)，直升機(jī)的做功效率大于無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的做功功率。

圖7 兩種外掛構(gòu)型的單位功率耗油率對(duì)比

圖8給出了直升機(jī)在同一氣壓高度上外掛兩枚魚雷構(gòu)型和無(wú)外掛構(gòu)型飛行試驗(yàn)平飛公里油耗曲線試飛結(jié)果，由圖8可以看出，當(dāng)小于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型的小時(shí)油耗大于外掛兩枚魚雷構(gòu)型的小時(shí)油耗；當(dāng)大于經(jīng)濟(jì)速度時(shí)，外掛兩枚魚雷構(gòu)型的公里油耗大于無(wú)外掛構(gòu)型公里油耗。對(duì)于遠(yuǎn)航速度，外掛兩枚魚雷構(gòu)型的遠(yuǎn)航速度小于無(wú)外掛構(gòu)型的遠(yuǎn)航速度。

圖8 兩種外掛構(gòu)型的平飛公里油耗對(duì)比

表3給出了兩種構(gòu)型下，直升機(jī)不同可用油量的航程對(duì)比。當(dāng)直升機(jī)具有相同的可用燃油時(shí)，無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的航程明顯大于雙側(cè)外掛直升機(jī)的航程。隨直升機(jī)可用油量的增加，無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)的航程增加量大于雙側(cè)外掛直升機(jī)的航程增加量。

表3 直升機(jī)續(xù)航程對(duì)比

3 結(jié)論

直升機(jī)掛裝兩枚魚雷后，其構(gòu)型與直升機(jī)無(wú)外掛構(gòu)型相比，因氣動(dòng)外型的改變，導(dǎo)致直升機(jī)機(jī)身俯仰角減小，在相同的功率條件下，經(jīng)濟(jì)速度小于無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)經(jīng)濟(jì)速度，遠(yuǎn)航速度小于無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)遠(yuǎn)航速度，最大平飛速度亦小于無(wú)外掛構(gòu)型最大平飛速度。但是，直升機(jī)在掛裝兩枚魚雷后，其最小小時(shí)油耗有可能同無(wú)外掛構(gòu)型直升機(jī)續(xù)航時(shí)間相近，因而不會(huì)影響直升機(jī)的續(xù)航時(shí)間。