某型艦載直升機(jī)著艦風(fēng)限圖的計算

章曉冬，侯志強(qiáng)，胡國才，劉志鵬

(1.海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì);b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001;2.總裝備部駐長治代表室，山西 長治 046012)

艦載直升機(jī)可以隨艦到任何海域擔(dān)任遠(yuǎn)海任務(wù)，其活動范圍大，能在海上長時間懸停，已被各國廣泛用于軍事領(lǐng)域。不同于陸基直升機(jī)，直升機(jī)的艦上使用環(huán)境比陸上使用環(huán)境復(fù)雜的多，海上風(fēng)浪頻繁、氣候多變、艦船航行還會引起相對風(fēng)力，直升機(jī)著艦時存在較大風(fēng)險［1-3］。為確保艦載直升機(jī)的飛行安全，艦載直升機(jī)必須進(jìn)行直升機(jī)-艦組合試驗(yàn)，以便給出直升機(jī)的海上使用包線。本文研究不同風(fēng)向和風(fēng)速下樣機(jī)的平衡特性，并根據(jù)樣機(jī)的操縱范圍和使用規(guī)范制定了直升機(jī)艦面懸停風(fēng)限圖。

1 風(fēng)向的定義

直升機(jī)的地速VK、空速VA與當(dāng)?shù)仫L(fēng)速VW三者的關(guān)系為VK=VA+VW，投影到機(jī)體坐標(biāo)系中得:

對假定側(cè)風(fēng)為水平風(fēng)，定義風(fēng)速大小為VW，風(fēng)速方向和地軸系OdXdYdZd中Xd的夾角為ξ，則風(fēng)速在地軸系的分量:

將式(2)代入式(1)即可得側(cè)風(fēng)條件下體軸系的速度分量，同理可得槳軸系下的速度分量。

2 直升機(jī)動力學(xué)模型

2.1 基本方程

直升機(jī)外力由旋翼、尾槳、平尾、垂尾、機(jī)身的空氣動力和自身重力組成，平飛時的平衡方程由直升機(jī)上的合力和合力矩為零得到:

式(3)中，下標(biāo)S、T、H、V 和F 分別表示旋翼、尾槳、平尾、垂尾和機(jī)身;G 為直升機(jī)重力。? 和γ 為直升機(jī)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。

2.2 旋翼氣動載荷

不考慮槳葉的氣動彈性，假設(shè)槳葉是剛性的，槳葉質(zhì)量沿展向均勻分布，旋翼結(jié)構(gòu)為帶有水平鉸偏置量的鉸接式旋翼。假設(shè)當(dāng)量鉸外伸量為e，第k 片槳葉的揮舞角為βk，方位角為ψk;μ 為前進(jìn)比;vi為旋翼誘導(dǎo)速度;αs為旋翼平面與飛行速度的夾角;直升機(jī)懸停時，槳葉剖面的氣流速度:

式中uP和uT為平行和垂直槳轂平面的氣流速度，上標(biāo)“-”表示無因次量。

用準(zhǔn)定常理論計算旋翼載荷［4］，用Pitt/Peters 動力入流模型推導(dǎo)旋翼的誘導(dǎo)速度，只考慮一階諧波，得:

采用定常入流模型，誘導(dǎo)速度應(yīng)該滿足以下平衡方程

式(6)中:L 為增益矩陣;CT為旋翼拉力系數(shù);CL為旋翼氣動滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù);CM為旋翼氣動俯仰力矩系數(shù)。

槳葉剖面的氣動環(huán)境如圖1 所示。

圖1 剖面氣流速度和氣動力

用升力線理論計算槳葉的氣動力，由圖1 可知，槳葉微元的升力和阻力分別為:

式(7)中:ρ 為空氣密度;α 為剖面迎角;a 為升力線斜率;b 為剖面弦長;cd0為阻力系數(shù);u≈uT;α=θ-arctan(up/uT)≈θup/uT。

分解到槳葉坐標(biāo)系中:

式(8)中，ε=arctan(up/uT)≈up/uT。

將槳葉的氣動力表達(dá)式，沿半徑和方位角積分，即可得到槳轂的氣動力和氣動力矩，與其他旋翼力和力矩合成，投影到機(jī)體坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換為對機(jī)體質(zhì)心的氣動力和氣動力矩，同理可得尾槳的氣動載荷。機(jī)身的氣動載荷(包括垂尾和平尾)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算而得。本文采用牛頓迭代法求解直升機(jī)的平衡方程。配平結(jié)果如圖2 ～7 所示。

圖2 總距隨風(fēng)速矢量的變化

圖3 尾槳槳距隨風(fēng)速矢量的變化

圖4 橫向周期變距隨風(fēng)速矢量的變化

圖5 縱向周期變距隨風(fēng)速矢量的變化

圖6 俯仰角隨風(fēng)速矢量變化

圖7 側(cè)傾角隨風(fēng)速矢量變化

由文獻(xiàn)［5］可知，樣機(jī)的操縱范圍如表1 所示。

表1 樣機(jī)操縱量范圍

由于艦載直升機(jī)著艦環(huán)境的特殊性，需要克服紊流和突風(fēng)，還要進(jìn)行機(jī)動，必須要有一定的操縱余量。文獻(xiàn)［6］規(guī)定艦載直升機(jī)的操縱余量取10%?？傻脴訖C(jī)的安全操縱范圍如表2 所示。

表2 安全操縱量范圍

除此之外，規(guī)范要求在有側(cè)風(fēng)起降時，其側(cè)風(fēng)值不能超過一個V'值，即

3 甲板運(yùn)動模型［7］

艦船的運(yùn)動使直升機(jī)難以準(zhǔn)確起降，受風(fēng)浪的影響，艦船存在6 個自由度，隨著海況等級的提高，其運(yùn)動響應(yīng)也會加劇，起主要作用的是橫搖、縱搖和升沉這3 種運(yùn)動。艦船運(yùn)動由多階諧波組成，但實(shí)際往往由幾個頻率的諧波占主導(dǎo)地位，為簡化起見，使用正弦波疊加的方式來模擬艦船甲板運(yùn)動［8］，數(shù)學(xué)模型如下:

式(10)中，Ys、αs和γs分別表示某時刻艦船重心到平衡位置的距離、艦縱搖角和艦橫搖角。

假設(shè)艦船重心到著艦區(qū)中心的距離為L，樣機(jī)后輪之間的距離為2l，那么著艦點(diǎn)升沉的位移量近似為

對式(11)求導(dǎo)，可得著艦點(diǎn)升沉速度

根據(jù)軍用直升機(jī)飛行品質(zhì)規(guī)范，直升機(jī)在著艦時，機(jī)身相對甲板的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角不能超過一個特定的值?0和γ0，著艦速度不能大于V0，則有:

式(13)中，Vt為直升機(jī)的下沉速度，取決于飛行員的駕駛水平，飛行員的工作負(fù)荷與紊流嚴(yán)重程度、甲板上的視野和能見度等息息相關(guān)。對于我國艦載直升機(jī)飛行員來講，中等技術(shù)飛行員著艦時下沉速度出現(xiàn)概率最高為0.5 m/s，本文取Vt=0.5。

4 艦面流場模型

海面上的氣流受到船體外殼與艦船建筑物的影響會形成艦面紊流。當(dāng)艦船在小側(cè)滑角來流時，機(jī)庫后部的飛行甲板上存在嚴(yán)重的下沖氣流;當(dāng)艦船有一定側(cè)滑角時，來流方向一側(cè)的艦船外側(cè)，存在較大的上沖速度分量，而在艦船內(nèi)側(cè)，垂直風(fēng)速很小，甚至為下沖氣流［9］。規(guī)范規(guī)定甲板上垂直氣流速度不大于15 節(jié)，用FLUENT 軟件計算某艦艦面流場的分布情況，確定不同風(fēng)速、不同風(fēng)向下的流場特性，并將流場速度分布結(jié)果結(jié)合進(jìn)風(fēng)限圖中。

這樣就將飛行員、直升機(jī)、艦船運(yùn)動和風(fēng)速矢量和艦面流場這幾個獨(dú)立的系統(tǒng)聯(lián)系在一起，構(gòu)成了計算理論風(fēng)限圖的數(shù)學(xué)模型。

5 理論風(fēng)限圖

類似艦載直升機(jī)著艦時風(fēng)限圖的確定方法，根據(jù)前面的計算分析，僅考慮操縱量的安全范圍，可以得到直升機(jī)的陸地懸停風(fēng)限圖(圖8)。

圖8 陸地懸停風(fēng)限圖

因?yàn)楹髠?cè)風(fēng)較大時，直升機(jī)增加俯仰角同時也增大了迎風(fēng)面積，很容易撞到機(jī)庫上，所以直升機(jī)著艦時應(yīng)盡量避免后側(cè)風(fēng);另外考慮艦船運(yùn)動時，縱搖角、橫搖角和升沉速度均取最大值。綜上，可以得到直升機(jī)的艦面懸停風(fēng)限圖(圖9)。

圖9 艦面懸停風(fēng)限圖

6 結(jié)論

由配平結(jié)果可知樣機(jī)的抗側(cè)風(fēng)能力主要由尾槳決定，同時也受橫向周期變距和總距的影響;由圖8 的形狀可知樣機(jī)抗左側(cè)風(fēng)性能較好，決定了著艦時必須從左舷進(jìn)入;由圖9可知風(fēng)限圖左邊的風(fēng)速值大于右邊，左右兩側(cè)的差別隨著角度的增大而減小，因?yàn)榻嵌鹊脑黾邮箼C(jī)庫后方渦流區(qū)域減小，導(dǎo)致了左右兩側(cè)風(fēng)況差異變小。另外，直升機(jī)著艦時應(yīng)選擇艦船運(yùn)動幅值較小的“靜息期”待機(jī)著艦，本文計算時選取了著艦最危險的情況，導(dǎo)致了ξ 對應(yīng)的最大風(fēng)速值偏小。

本文將側(cè)風(fēng)、艦船運(yùn)動和艦面流場相結(jié)合，計算了直升機(jī)的著艦風(fēng)限條件，計算結(jié)果對海軍艦載直升機(jī)駕駛員培訓(xùn)及艦載飛行的安全有一定指導(dǎo)意義。因資料有限，本文在仿真過程中未考慮對直升機(jī)的控制，僅做了無控制下的動力學(xué)分析，下一步應(yīng)對飛行控制理論加以考慮。

［1］李軍亮，胡國才，王浩.側(cè)風(fēng)對艦載直升機(jī)懸停性能的影響［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2010，25(2):129-132.

［2］林河泉，高正.直升機(jī)/艦配合問題的探討［C］//艦載直升機(jī)文集.景德鎮(zhèn):出版者不詳，2006.

［3］胡國才，文忠柯.艦載直升機(jī)［Z］.煙臺:海軍航空工程學(xué)院，1997.

［4］PITT P.Theoretical prediction of dynamic inflow derivatices［J］.Vertica，1981，31(1):21-34.

［5］普勞蒂·R·W.直升機(jī)性能及穩(wěn)定性和操縱性［M］.高正，譯.北京:航空工業(yè)出版社，1990.

［6］趙維義，劉航，傅百先.艦載直升機(jī)風(fēng)限圖及其試飛［J］.飛行力學(xué)，2002，20(4):48-50.

［7］王存仁，朱玉兵.直升機(jī)-艦船組合風(fēng)限圖計算方法研究［J］.飛行力學(xué)，1996，14(1):36-41.

［8］郭署山.無人直升機(jī)著艦控制技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

［9］趙維義，王占勇.艦船空氣尾流場對直升機(jī)著艦影響研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2007，22(4):435-438.