共軸雙旋翼直升機(jī)地面共振不穩(wěn)定性抑制

張祥 張磊 王學(xué)軍

摘 要：共軸雙旋翼直升機(jī)的地面共振不穩(wěn)定性問(wèn)題亟待解決，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型分析和實(shí)際實(shí)踐得出，要抑制其地面共振不穩(wěn)定性需要增加其擺振鉸外伸量，增加旋翼和機(jī)體的重心距離，增加上下旋翼間距，增加槳葉的葉擺固有頻率等，本文將就解決該問(wèn)題的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)做闡述。

關(guān)鍵詞：共軸雙旋翼 直升機(jī) 地面共振 不穩(wěn)定性 抑制

共軸雙螺旋槳直升機(jī)有著自身的特點(diǎn)，它整體機(jī)結(jié)構(gòu)較為緊湊，尺寸較小，這樣的特點(diǎn)讓它更適合作為艦載機(jī)來(lái)使用。在共軸雙螺旋槳直升機(jī)實(shí)際使用時(shí)在起飛階段容易發(fā)生螺旋槳和地面發(fā)生共振的問(wèn)題，這樣的問(wèn)題的發(fā)生對(duì)直升機(jī)本身和操作員構(gòu)成了威脅，所以必須采取一定的可行性措施來(lái)抑制該問(wèn)題的發(fā)生保障飛行安全。

1直升機(jī)參數(shù)對(duì)地面共振的影響

共軸雙螺旋直升機(jī)地面共振問(wèn)題的發(fā)生有很大一部分原因是其自身的結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題，分析直升機(jī)的參數(shù)對(duì)擺振鉸外伸量，下旋翼與機(jī)體重心的距離，上下旋翼距離和固有擺振頻率等進(jìn)行分析，并作出相應(yīng)的調(diào)整對(duì)抑制該問(wèn)題有很大幫助。

1.1擺振鉸外伸量對(duì)地面共振穩(wěn)定性的影響

根據(jù)狀態(tài)方程并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的演算推理得出，擺振鉸外伸量的變化會(huì)明顯引起地面共振的穩(wěn)定性，并且隨著擺振鉸外伸量的增加，槳葉擺振固有頻率也會(huì)隨之增加，不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會(huì)隨之提高。從這一點(diǎn)能夠看出擺振鉸外伸量會(huì)對(duì)共振穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以要在該參數(shù)上作出相應(yīng)的調(diào)整。

1.2旋翼與機(jī)體重心距離對(duì)地面共振穩(wěn)定性的影響

同樣利用狀態(tài)方程將上下旋翼與機(jī)體重心的距離進(jìn)行演算可以模擬出旋翼與機(jī)體重心距離對(duì)地面共振穩(wěn)定性的影響，綜合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨著旋翼與機(jī)體重心距離的不斷增加，機(jī)體的滾轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率降低，不穩(wěn)定程度也在增加，在這其中存在這一個(gè)不穩(wěn)定區(qū)間。所以通過(guò)該項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)可以得出旋翼與機(jī)體重心距離對(duì)地面共振穩(wěn)定性有一定影響，并且隨著旋翼和機(jī)體重心距離的增大不穩(wěn)定系數(shù)也在增大。

1.3上下旋翼間距對(duì)地面共振穩(wěn)定性的影響

在控制旋翼與機(jī)體重心距離保持不變的前提下，在實(shí)驗(yàn)中將上下旋翼的間距進(jìn)行不斷更改并利用狀態(tài)方程進(jìn)行擬合可以得出，隨著下旋翼輪轂與機(jī)體重心距離的增加，機(jī)體的固有頻率改變，這使得直升機(jī)本身的的不穩(wěn)定區(qū)間隨之變化，這樣的變化對(duì)于控制穩(wěn)定性來(lái)講非常重要。所以上下旋翼的間距參數(shù)對(duì)于穩(wěn)定性的控制需要多加考慮。

1.4槳葉擺振剛度對(duì)于地面共振穩(wěn)定性的影響

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)方程計(jì)算機(jī)模擬情況可以得出，擺振剛度的變化會(huì)引起擺振固有頻率的伴隨變化，并且這個(gè)變化關(guān)系是正向相關(guān)的，槳葉擺振剛度通過(guò)對(duì)固有擺振頻率的影響進(jìn)而影響機(jī)體整體的穩(wěn)定性。通過(guò)該項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得出槳葉擺振剛度對(duì)于控制穩(wěn)定性而言也是一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

1.5機(jī)體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率對(duì)于地面共振穩(wěn)定性的影響

相比于上面幾種參數(shù)對(duì)地面共振的影響機(jī)體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率的影響是更多樣化的，隨著機(jī)體俯仰、滾轉(zhuǎn)頻率的參數(shù)改變通過(guò)狀態(tài)方程模擬可以看出機(jī)體的固有頻率，阻尼，不穩(wěn)定區(qū)間都在發(fā)生變化，這說(shuō)明該參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響是多方面的在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合多方面來(lái)考慮。

2關(guān)于地面共振的被動(dòng)控制的分析

機(jī)體本身的各項(xiàng)參數(shù)會(huì)通過(guò)影響其固有頻率等來(lái)影響其工作時(shí)地面共振的穩(wěn)定性，通過(guò)機(jī)體本身設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題是主觀的，相比于機(jī)體本身的問(wèn)題地面所帶來(lái)的問(wèn)題就是相對(duì)被動(dòng)的，不容易改變的，要增強(qiáng)穩(wěn)定性需要考慮在槳葉上安裝擺振阻尼器，通過(guò)阻尼器的有效應(yīng)用來(lái)減少地面共振問(wèn)題的發(fā)生。

2.1關(guān)于阻尼器的分析

要想解決地面共振而導(dǎo)致的不穩(wěn)定的問(wèn)題的發(fā)生，應(yīng)用阻尼器是必須的。目前，我國(guó)大部分直升機(jī)采用的都是液壓阻尼器或者粘彈阻尼器，這兩種阻尼器的工作原理有一定的區(qū)別，工作適合環(huán)境也有區(qū)別。液壓阻尼器的阻尼力矩和速度的平方成正比關(guān)系，通過(guò)流體在阻尼器中的流動(dòng)與內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦而較少震動(dòng)而粘彈阻尼器的阻尼力與其位移成正比。

2.2地面共振的被動(dòng)控制

地面共振的被動(dòng)控制需要在機(jī)旋翼上安裝阻尼器來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻尼器的安裝使得槳葉的擺振剛度獲得提高，從而讓耦合轉(zhuǎn)速更快更穩(wěn)定。應(yīng)用阻尼器還可以提高槳葉的擺振阻尼，讓其工作時(shí)與地面的工作共振峰值減少，增加穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中可以采用單阻尼器抑制法，通過(guò)液彈阻尼器附加的同效應(yīng)剛度來(lái)使槳葉的擺振固有頻率獲得提高，并且隨著旋翼槳葉的阻尼比值的增加共振峰值會(huì)得到減小，當(dāng)上下旋翼和機(jī)體的阻尼比為相同倍數(shù)時(shí)阻尼峰值降低幅度最大。在實(shí)際應(yīng)用中也可以考慮雙阻尼控制法，在上旋翼上加裝不同的阻尼器可以綜合利用不同阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出隨著阻尼比的增加，不穩(wěn)定區(qū)間的轉(zhuǎn)速上限隨之增加，但是轉(zhuǎn)速的下限也會(huì)變得更小。當(dāng)采用相同的阻尼比時(shí)隨著剛度的不斷增加不穩(wěn)定區(qū)間的轉(zhuǎn)速趨于一致，但是下限轉(zhuǎn)速會(huì)提高這說(shuō)明在使用雙阻尼器進(jìn)行控制時(shí)要好要附加剛度較大的阻尼器來(lái)減少其不穩(wěn)定區(qū)間。

3地面共振的主動(dòng)控制

利用狀態(tài)反饋的方法來(lái)把不穩(wěn)定的系統(tǒng)改造為穩(wěn)定系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的地面穩(wěn)定控制。

通過(guò)增益矩陣的計(jì)算和仿真分析可以得出以下結(jié)論：（1）要建立完全可控系統(tǒng)的狀態(tài)空間來(lái)實(shí)現(xiàn)地面共振主動(dòng)控制。（2）對(duì)于完全可控系統(tǒng)而言通過(guò)狀態(tài)反饋控制來(lái)設(shè)計(jì)反饋矩陣可以使不穩(wěn)定系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。

4共軸雙螺旋直升機(jī)地面共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)踐理論要設(shè)計(jì)出一套可行的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)要以能綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托怼⒄崔D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、模型機(jī)身、萬(wàn)向節(jié)和阻尼器等性能為前提，測(cè)算出剛度、轉(zhuǎn)速和固有頻率等關(guān)鍵參數(shù)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于整體設(shè)想從理論向?qū)嶋H發(fā)展有重要意義。

總 結(jié)

地面共振控制問(wèn)題是直升機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)必須要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為了保證起飛的安全和飛機(jī)的性能必須要在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)共振問(wèn)題作出抑制。本文通過(guò)對(duì)機(jī)體本身各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)算推倒與模擬找出了直升機(jī)機(jī)體本身的參數(shù)如擺振鉸外伸量，下旋翼與機(jī)體重心的距離，上下旋翼距離和固有擺振頻率等對(duì)共振的影響，通過(guò)增加或者減少這幾個(gè)部分的參數(shù)能夠很好地控制共振問(wèn)題。本文還通過(guò)提出通過(guò)阻尼器來(lái)減少共振問(wèn)題的發(fā)生在直升機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以綜合兩種阻尼器的不同組合方法和應(yīng)用數(shù)量來(lái)找到最合理的應(yīng)用方案。本文的理論希望能進(jìn)一步得到實(shí)踐應(yīng)用。

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