直升機(jī)海上懸停救援平臺(tái)模擬艙設(shè)計(jì)

趙守強(qiáng) 趙天翔 李懷元 宋強(qiáng)

摘 要：直升機(jī)海上救援模擬平臺(tái)中的核心部分就是救生艙，所有的救援行動(dòng)都要依托救生艙進(jìn)行。現(xiàn)在我們國家進(jìn)行直升機(jī)救援訓(xùn)練時(shí)主要進(jìn)行的科目有11個(gè)，分別是模擬任務(wù)流程培訓(xùn)、模擬陸地吊運(yùn)培訓(xùn)、模擬機(jī)組人員溝通培訓(xùn)、模擬吊運(yùn)擔(dān)架、模擬甲板吊運(yùn)、模擬浮標(biāo)吊運(yùn)、模擬水中吊運(yùn)以及心理訓(xùn)練、特殊情況訓(xùn)練等。因此，設(shè)計(jì)模擬救生艙時(shí)不但要考慮搭載負(fù)荷強(qiáng)度，還要滿足這些科目的訓(xùn)練要求。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；救援平臺(tái)；模擬艙

中圖分類號(hào)：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0087-02

Abstract： The core part of the helicopter sea rescue simulation platform is the rescue capsule. All rescue operations must rely on the rescue capsule. At present， there are 11 major subjects in helicopter rescue training in our country. They are simulated task flow training， simulated land lifting training， simulated aircrew communication training， simulated lifting stretcher， simulated deck lifting， simulated buoy lifting， simulated underwater lifting， psychological training， special circumstances training and so on. Therefore， not only the load intensity， but also the training requirements of these subjects should be taken into account in the design of the simulated lifeboat.

Keywords： helicopter； rescue platform； simulation cabin

1 概述

早在1947年，我國就在北海、東海、南海等海域組建了直升機(jī)海上救援隊(duì)。救援隊(duì)全天待命，隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，各自負(fù)責(zé)本海域的海上搜尋救援工作?？梢钥闯鰜?，在海上交通安全保障的問題上，國家交通部以及有關(guān)部委高度重視，并給予了很大的支持力度，在多方面的共同努力下，海上救援的技術(shù)、設(shè)施、體系、政策都有了很大的進(jìn)步，越來越完善。經(jīng)過十多年的發(fā)展，我們的海上直升機(jī)救助飛行隊(duì)更加專業(yè)，裝備更新?lián)Q代及時(shí)，救助水平更加高。但盡管如此，對(duì)比國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)、體系，我們還有很多不足，還有很長的路要走。當(dāng)出現(xiàn)惡劣海況，或者是能見度低以及夜間救援的技術(shù)還不完善；救助訓(xùn)練模擬技術(shù)不完善；對(duì)人員的保障能力不足，還無法完全保證搜救行動(dòng)的零問題進(jìn)行。

針對(duì)以上所說的情況，為了解決這些問題，為了更好提高海上搜救水平，尤其是惡劣海況下的搜救行動(dòng)，搭建一個(gè)模擬救援訓(xùn)練平臺(tái)就顯得尤為重要。通過充分的理論分析以及結(jié)合實(shí)際救援狀況，這個(gè)模擬訓(xùn)練平臺(tái)需要性能優(yōu)良、安全系數(shù)有保障，尤其是模擬直升機(jī)救援艙，要立足模擬訓(xùn)練，盡量貼合實(shí)際來設(shè)計(jì)。

2 模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

直升機(jī)海上救援模擬平臺(tái)中的核心部分就是救生艙，所有的救援行動(dòng)都要依托救生艙進(jìn)行。在模擬救援過程中，模擬艙內(nèi)主要有5人：主控1人，相當(dāng)于直升機(jī)上駕駛員，負(fù)責(zé)操作模擬艙的控制面板，控制天車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，配合絞車手，使模擬艙移動(dòng)到救援位置；絞車手1人，負(fù)責(zé)在救生艙門處控制絞車的升降、速度，為主控提供視野，配合吊起遇險(xiǎn)人員；救生員；救生員1人，當(dāng)模擬艙到達(dá)指定“海域”，救生員穿好安全衣，通過與絞車連接，懸垂下到指定海域?qū)嵤┚仍痪壬鷨T教練1人，負(fù)責(zé)指導(dǎo)整個(gè)救援過程，并對(duì)主控、救生員、絞車手進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后是模擬被救人員1～2人。現(xiàn)在我們國家進(jìn)行直升機(jī)救援訓(xùn)練時(shí)主要進(jìn)行的科目有11個(gè)，分別是模擬任務(wù)流程培訓(xùn)、模擬陸地吊運(yùn)培訓(xùn)、模擬機(jī)組人員溝通培訓(xùn)、模擬吊運(yùn)擔(dān)架、模擬甲板吊運(yùn)、模擬浮標(biāo)吊運(yùn)、模擬水中吊運(yùn)以及心理訓(xùn)練、特殊情況訓(xùn)練等。因此，設(shè)計(jì)模擬救生艙時(shí)不但要考慮搭載負(fù)荷強(qiáng)度，還要滿足這些科目的訓(xùn)練要求。

2.1 模擬艙設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1.1 模擬艙設(shè)計(jì)特點(diǎn)

雖然設(shè)計(jì)模擬艙時(shí)參考了其他領(lǐng)域模擬器的設(shè)計(jì)原則，但是海上懸停救援直升機(jī)模擬艙需要懸掛在空中快速移動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)停止移動(dòng)，因此該模擬艙具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)：

（1）重視剛度設(shè)計(jì)。在模擬訓(xùn)練過程中模擬艙所承受的載荷主要是天車系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)以及艙內(nèi)人員的進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。因此，為了最大程度的降低模擬艙的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免模擬艙的運(yùn)動(dòng)頻率與低階模態(tài)重合，從而降低模擬艙在救援過程中所承受的載荷，滿足剛度要求。

根據(jù)查閱的資料，模擬訓(xùn)練平臺(tái)中的模擬艙結(jié)構(gòu)主要有鐵籠結(jié)構(gòu)跟桁粱結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的模擬救援過程中，模擬艙由于在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性不好的問題，而且模擬艙結(jié)構(gòu)直接決定固有頻率，因此，選擇合適的結(jié)構(gòu)對(duì)于增強(qiáng)模擬艙穩(wěn)定性、符合剛度要求就至關(guān)重要。（2）模擬艙輕量化設(shè)計(jì)。六自由度平臺(tái)由于其型號(hào)及成本限制承載能力，因此在設(shè)計(jì)吊掛在其下方的模擬艙時(shí)必須要考慮模擬艙的結(jié)構(gòu)重量。在符合剛度、安全的前提下，盡量將模擬艙的結(jié)構(gòu)重量降低，便可以提高艙的承載能力，提高天車系統(tǒng)、六自由度平臺(tái)的使用壽命。（3）提高模擬艙空間利用率。我們的模擬艙外形是盡量貼合S-76C+救援直升機(jī)而設(shè)計(jì)的，因此外形以及內(nèi)部空間受到嚴(yán)格的限制，為了在使用過程中增強(qiáng)使用舒適度以及承載能力，必須將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，從而達(dá)到提高空間利用率的要求。（4）使用壽命要長。直升機(jī)海上救援模擬平臺(tái)作為一個(gè)重要且造價(jià)高昂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在合理維護(hù)的前提下，其使用壽命要盡可能長，從而要在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮疲勞壽命問題。

2.1.2 模擬艙設(shè)計(jì)品質(zhì)要求

在設(shè)計(jì)模擬艙的過程中，必須要考慮的幾個(gè)因素中風(fēng)險(xiǎn)、成本以及使用性能占有主要地位。因此，在設(shè)計(jì)過程中我們應(yīng)該遵循以下原則：（1）技術(shù)繼承程度。技術(shù)繼承程度是指我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中所使用的技術(shù)中直接利用現(xiàn)有技術(shù)所占的比例。技術(shù)繼承程度高，我們的設(shè)計(jì)工作能直接借鑒、參考的成熟技術(shù)就越多，符合國標(biāo)的零件也越多，能夠起到事半功倍的效果。（2）安全性。模擬艙在使用時(shí)懸掛在天車下方，距離地面高度有十幾米，因此，救生艙的安全可靠就更加重要。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮模擬艙的工作環(huán)境，優(yōu)先采用成熟可靠設(shè)計(jì)方案。除此之外，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量降低機(jī)艙對(duì)動(dòng)載荷的敏感度，并且盡量減少模擬艙內(nèi)零件的數(shù)量，盡量采用簡單的機(jī)艙結(jié)構(gòu)。（3）制造加工。為了最終將模擬艙制造并投入實(shí)際教學(xué)中，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮制造加工的難易程度、可實(shí)現(xiàn)性以及成本就很有必要。應(yīng)該優(yōu)先采用成熟的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)、材料，優(yōu)先考慮國家標(biāo)準(zhǔn)件的使用。

2.2 直升機(jī)飛行數(shù)據(jù)

直升機(jī)海上救援模擬系統(tǒng)中，直升機(jī)的飛行姿態(tài)對(duì)模擬艙的影響不能忽略。于是我查閱了中國交通運(yùn)輸部北海飛行隊(duì)的B-7309海上救助直升機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，作為模擬艙設(shè)計(jì)時(shí)的參考，為模擬艙的設(shè)計(jì)提供了十分可靠的依據(jù)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得的三向加速信號(hào)、飛機(jī)的俯仰角以及橫滾角，如表1所示。

分析以上圖表中的數(shù)據(jù)，我們可以對(duì)加速度與轉(zhuǎn)動(dòng)角度得出結(jié)論：

加速度：加速度峰值在X向與Y向的均低于0.4g，在Z向低于0.5g；整個(gè)過程中加速度信號(hào)的帶寬大概在4Hz左右。

轉(zhuǎn)動(dòng)角度：橫滾角、俯仰角均在2Hz附近有諧振峰出現(xiàn)；橫滾角變化范圍是-8°～10°，俯仰角變化范圍為-6°～14°。

將以上數(shù)據(jù)濾波為4Hz并進(jìn)行反解，得到六自由度平臺(tái)中各個(gè)缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，利用ADAMS進(jìn)行仿真，得到電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而可以在六自由度平臺(tái)上模擬出直升機(jī)的飛行姿態(tài)，為模擬艙設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.3 模擬艙的設(shè)計(jì)總體要求

為了盡量貼近實(shí)際救援情況進(jìn)行模擬，模擬艙設(shè)計(jì)將以S-76C+型救援直升機(jī)的中段客艙部分為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際情況，首先考慮剛度及安全性要求，其次設(shè)計(jì)內(nèi)部的零件布置，最大限度的模仿外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更好的實(shí)現(xiàn)其模擬救援的功能性。根據(jù)這些原則以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出模擬艙的總體設(shè)計(jì)規(guī)范：（1）模擬艙的內(nèi)部尺寸：長2460mm，寬1930mm，高1350mm；（2）模擬艙的自身重量：不超過1800kg；（3）模擬艙的承載能力：不低于1000kg；（4）模擬艙的運(yùn)動(dòng)軌跡：能實(shí)現(xiàn)到達(dá)任意指定位置的水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)；（5）模擬艙的材料規(guī)范：具有良好的剛度與強(qiáng)度，易加工。

3 結(jié)束語

本文介紹了直升機(jī)模擬艙的總體設(shè)計(jì)要求，通過參考其他領(lǐng)域模擬器提出設(shè)計(jì)構(gòu)想，與實(shí)際情況結(jié)合，進(jìn)行理論分析，之后通過綜合查閱的直升機(jī)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)提出模擬艙的最終尺寸要求、重量要求、承載能力要求、運(yùn)動(dòng)軌跡以及材料要求，為接下來繼續(xù)深入設(shè)計(jì)模擬艙打好基礎(chǔ)。

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