極限重心對(duì)單旋翼直升機(jī)懸停及小速度飛行安全的影響

費(fèi)景榮，武書(shū)閣

(海軍航空兵學(xué)院，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

飛行中，燃油消耗、貨物投放、人員移動(dòng)、武器發(fā)射等都會(huì)引起直升機(jī)重心的變化。與固定翼飛機(jī)比，直升機(jī)本體的操穩(wěn)特性較差，在懸停和小速度狀態(tài)尤甚。因此，直升機(jī)允許的重心變化范圍較窄，尤其在起飛、著陸、特種作業(yè)等懸停和小速度狀態(tài)，重心處于極限位置極易危及安全。為此，很多機(jī)型的手冊(cè)、守則對(duì)極限重心條件下懸停和小速度飛行的操縱均作出了規(guī)定。如米8、直9和“超黃蜂”三種直升機(jī)都規(guī)定:“懸停中，重心在極限位置時(shí)，只能逆風(fēng)起飛、懸停和著陸，一般不做機(jī)動(dòng)飛行”。直9直升機(jī)守則指出:“海上懸停打撈飛行時(shí)，出現(xiàn)極限重心飛行是十分危險(xiǎn)的，隨機(jī)機(jī)械師要及時(shí)調(diào)整重心位置，根據(jù)情況發(fā)出停止工作信號(hào)”。米8也要求:“懸停空投時(shí)，注意掌握重心的變化”［1－3］。

但是，上述規(guī)定只是原則性的說(shuō)明，缺乏前、后極限重心的不同影響及相應(yīng)對(duì)策，目前的教材中亦未有此方面介紹，況且，有些規(guī)定還需要完善。這些情況都不利于飛行員的正確操縱及飛行員與機(jī)械師的協(xié)調(diào)。鑒于此，本文就單旋翼直升機(jī)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 單旋翼直升機(jī)重心前、后限的確定

單旋翼直升機(jī)重心前、后限的確定主要受旋翼縱向操縱、槳葉揮舞、縱向穩(wěn)定性等因素的限制［4］。

1.1 縱向操縱對(duì)重心前、后限的要求

根據(jù)縱向力矩平衡條件，可作出不同重心位置對(duì)應(yīng)的自動(dòng)傾斜器傾斜角與飛行速度的關(guān)系曲線(如圖1所示)?？梢?jiàn)，隨飛行速度增加，向前推桿量加大，自動(dòng)傾斜器的前傾角也增大。因此，重心不應(yīng)過(guò)分靠后，以免在最大速度飛行時(shí)，超出自動(dòng)傾斜器極限前傾角的限制，即最大速度決定了重心后限。

同時(shí)，重心也不應(yīng)過(guò)分靠前，以免在懸?；蚝笸孙w行時(shí)，超出自動(dòng)傾斜器極限后傾角的限制，即懸?；蚝笸孙w行狀態(tài)決定了直升機(jī)重心的前限。重心范圍的確定，還必須考慮留有操縱余量，以克服直升機(jī)在飛行時(shí)可能遇到的縱向擾動(dòng)。如米8直升機(jī)重心為后限和正常中心時(shí)，駕駛桿應(yīng)離開(kāi)中立位置向前，大小為總行程的1/4，重心為前極限重心時(shí)，駕駛桿應(yīng)離開(kāi)中立位置向后，大小為總行程的1/2。

圖1 縱向操縱傾斜角與平飛速度關(guān)系

重心位置是否適當(dāng)，不僅會(huì)影響自動(dòng)傾斜器的傾斜角，而且還會(huì)影響直升機(jī)的平衡和操縱，甚至危及飛行安全。例如，重心過(guò)于靠后將會(huì)使機(jī)頭上仰，在飛行中，特別是在起飛增速時(shí)造成操縱困難。重心過(guò)于靠前將使機(jī)頭下俯，對(duì)主油箱位置在槳轂中心線后面的直11直升機(jī)來(lái)說(shuō)，隨著燃油消耗其重心將會(huì)前移，結(jié)果低頭力矩更大。在此情況下著陸，會(huì)給操縱帶來(lái)困難，不利于保障飛行安全。

1.2 旋翼?yè)]舞對(duì)重心前、后限的限制

旋翼產(chǎn)生的俯仰操縱力矩特點(diǎn)與重心的前、后位置及上下位置均有關(guān)。旋翼的周期揮舞量a1簡(jiǎn)單表示為［4］:

其中，Δy=КlBFC/2y;xG－重心距旋翼軸的縱向位置;y－重心距旋翼槳轂重心的高度;lB－旋翼?yè)]舞鉸外移量;FC－旋翼槳葉離心力。

可見(jiàn)，在自動(dòng)傾斜器的操縱范圍內(nèi)，直升機(jī)重心垂向位置一定，縱向位置變化范圍愈大，則槳葉周期揮舞量的變化也愈大。顯然，重心靠前時(shí)，周期揮舞量a1在0°方位的值較大，在急劇拉桿、陣風(fēng)、粗猛著陸等情況下，旋翼容易打尾梁。

1.3 迎角靜穩(wěn)定性對(duì)重心前、后限的限制

直升機(jī)的縱向重心位置影響迎角靜穩(wěn)定性。若重心在旋翼軸之前，直升機(jī)受抬頭擾動(dòng)后，由于迎角增大，旋翼氣動(dòng)合力相應(yīng)增加了ΔT，從而產(chǎn)生一個(gè)繞重心的低頭力矩，可抵消不穩(wěn)定的擾動(dòng)抬頭力矩，這對(duì)穩(wěn)定性是有利的。而重心在旋翼軸后面，則對(duì)穩(wěn)定性不利。因此，從縱向穩(wěn)定性的角度來(lái)看，直升機(jī)的重心位置不宜太后，一般應(yīng)使正常重心變化范圍相對(duì)于旋翼軸偏前，即重心的前極限大于后極限。

2 極限重心對(duì)單旋翼直升機(jī)懸停、低速飛行的影響及分析

2.1 極限重心的影響

為便于對(duì)比分析，現(xiàn)將極限重心的有關(guān)影響列表如下。

表1 極限重心的影響

2.2 對(duì)有關(guān)規(guī)定的分析

顯然，“懸停中，重心在極限位置時(shí)，只能逆風(fēng)起飛、懸停和著陸”這一諸多機(jī)型手冊(cè)中的普遍提法顯得籠統(tǒng)，需要完善。具體應(yīng)細(xì)化為:

前重心時(shí)，由于機(jī)頭下俯，拉桿量大，順風(fēng)懸停、著陸不利于修正狀態(tài)和減速，因而只能逆風(fēng)起飛、懸停和著陸。

后重心時(shí)，由于機(jī)頭上仰，推桿量大，逆風(fēng)懸停、著陸不利于修正狀態(tài)和增速;同時(shí)，迎角靜穩(wěn)定性較弱，而順風(fēng)又使迎角靜穩(wěn)定性進(jìn)一步減弱，所以，要避免以后重心飛行。

總之，重心過(guò)于靠前或過(guò)于靠后，直升機(jī)修正狀態(tài)偏差的能力明顯降低，進(jìn)行懸停、特種作業(yè)時(shí)，不僅難以順利完成任務(wù)，還會(huì)危及安全。同時(shí)加減速機(jī)動(dòng)能力也明顯降低，加大了起飛和著陸的風(fēng)險(xiǎn)。在不利的風(fēng)向條件下，上述特點(diǎn)更為明顯。應(yīng)盡量避免以極限重心飛行，特別是以重心后限飛行。必須以前重心時(shí)，只能逆風(fēng)起飛、懸停和著陸。

3 克服極限重心不利影響的對(duì)策

3.1 了解重心變化的基本規(guī)律

確定單旋翼直升機(jī)重心前后位置及變化規(guī)律有兩種方法。

一是計(jì)算法。某時(shí)刻直升機(jī)重心前后位置XG可用下式表示:

式中，i從1到n，X1、X2……Xn分別為直升機(jī)各部分重量(包括空機(jī)和機(jī)載物)G1、G2……Gn到X基準(zhǔn)面的距離。

實(shí)際運(yùn)用中，可根據(jù)設(shè)備、武器的裝載及投放、發(fā)射計(jì)劃，通過(guò)上式事先計(jì)算特定時(shí)刻直升機(jī)的重心位置，并結(jié)合燃油消耗對(duì)重心的影響，綜合確定直升機(jī)重心前后位置的變化規(guī)律。借助簡(jiǎn)單的計(jì)算程序，這種方法并不復(fù)雜。

二是查圖法。即根據(jù)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的重心位置曲線，結(jié)合任務(wù)及裝載情況，查出相應(yīng)的重心縱向位置。

3.2 掌握保證安全的基本要求

由于懸停、小速度和特種作業(yè)飛行時(shí)，直升機(jī)操穩(wěn)特性較差、飛行高度低，且對(duì)直升機(jī)的位置、方向及高度的要求嚴(yán)格;而極限重心位置時(shí)駕駛桿的操縱裕量小，保持俯仰狀態(tài)和修正偏差的能力弱，所以應(yīng)盡量避免在極限重心位置和不利風(fēng)向、風(fēng)速條件下做懸停和小速度飛行和特種作業(yè)飛行。

如果受條件所限，必須在接近極限重心位置時(shí)做懸停和小速度飛行，應(yīng)充分考慮風(fēng)的影響。此外，特種作業(yè)如投放物品、安裝、吊掛、搜救飛行前，應(yīng)掌握重心變化特點(diǎn)和風(fēng)向風(fēng)速情況，制定詳細(xì)的預(yù)案，加強(qiáng)機(jī)組人員的協(xié)同，注意操縱動(dòng)作柔和、協(xié)調(diào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)直升機(jī)極限重心對(duì)懸停、小速度飛行，特別對(duì)特種作業(yè)的安全有重要影響。

2)盡量避免在極限重心位置、不利風(fēng)向、風(fēng)速條件下做懸停低速飛行和特種作業(yè)飛行。特種作業(yè)前，應(yīng)掌握重心變化特點(diǎn)和風(fēng)向風(fēng)速情況，制定詳細(xì)預(yù)案，加強(qiáng)協(xié)同。確保安全。

3)“懸停中，重心在極限位置時(shí)，只能逆風(fēng)起飛、懸停和著陸”的提法顯得籠統(tǒng)，需要完善。

［1］米－8型直升機(jī)飛行員駕駛手冊(cè)［Z］.中國(guó)人民解放軍空軍司令部，1989:98－154.

［2］直九直升機(jī)飛行駕駛守則［Z］.中國(guó)人民解放軍總參謀部陸航局，1992:P98－139.

［3］SA321/Ja超黃蜂直升機(jī)飛行員駕駛守則［Z］.中國(guó)人民解放軍海軍航空兵37283部隊(duì)，1984.

［4］郭才根，等.直升機(jī)總體設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1993.

［5］桑雨生.直升機(jī)飛行力學(xué)［M］.北京:陸軍航空兵學(xué)院，2004.