卡型機(jī)艦面共振的特點與預(yù)防分析

費景榮，李冀鑫，雷衛(wèi)東

(海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺 264000 )

0 引言

艦面共振是指艦載直升機(jī)在艦上起降過程中，旋翼擺振后退模態(tài)與機(jī)體在起落架上的模態(tài)耦合產(chǎn)生的不穩(wěn)定自激振動現(xiàn)象。它會造成機(jī)體損傷和人員傷害。2013年，某部一架卡型機(jī)發(fā)生了艦面共振事故；此前，印度一架卡-31也發(fā)生艦面共振事故。兩起事故表明，出現(xiàn)艦面共振后留給飛行員處置的時間約3s～4s。要在如此短的時間內(nèi)做出正確判斷并獨立完成規(guī)定的處置動作，要求極高，難度很大。因此，有效地預(yù)防艦面共振就成為保證安全的關(guān)鍵。

鑒于卡型機(jī)的有關(guān)資料沒有專門針對艦面共振的預(yù)防措施，地面共振的預(yù)防僅限于維護(hù)方面，且維護(hù)沒有考慮到載艦、海況特點及操縱，本文就上述問題進(jìn)行初步分析。

1 直升機(jī)的艦(地)面共振簡介

1.1 艦(地)面共振的基本機(jī)理

艦面共振與地面共振的機(jī)理相同，其內(nèi)因是直升機(jī)存在兩個相互關(guān)聯(lián)的振動系統(tǒng)：槳葉擺振后退型擺振系統(tǒng)和機(jī)身-起落架振動系統(tǒng)。如果上述兩個振動系統(tǒng)的頻率接近或相同，且系統(tǒng)阻尼不足時，在外界擾動激勵下，就進(jìn)入旋翼擺振與機(jī)體相互激振加劇狀態(tài)，旋翼擺動能量不斷積累(來源是發(fā)動機(jī))，直至旋翼、機(jī)體損壞為止?？梢姡l(fā)生地面共振的四個條件是：外界擾動、兩振動系統(tǒng)頻率接近或相同；振動阻尼不足、振動能量足夠。

1.2 艦(地)面共振的鮮發(fā)性、偶發(fā)性特點

艦(地)面共振是直升機(jī)研制階段需重點解決的問題之一，因而定型后的直升機(jī)都可以保證在正常條件下飛行不會發(fā)生，屬于小概率事件，具有鮮發(fā)性特點。據(jù)統(tǒng)計，除卡型機(jī)外，我陸、海、空軍現(xiàn)役其它直升機(jī)未發(fā)生過地(艦)面共振。

其次，艦面共振的發(fā)生需要同時滿足上述四個條件，涉及因素多，變化多。只有飛行環(huán)境、裝備狀況和飛行操縱等因素相互影響，滿足了所有條件才能發(fā)生共振。因而，直升機(jī)艦面共振又有偶發(fā)性特點。

2 卡型機(jī)艦面共振特性的弱點

受各種設(shè)計參數(shù)權(quán)衡的影響，各型直升機(jī)避免地(艦)面共振的轉(zhuǎn)速裕度和阻尼裕度存在差別，艦面共振特性也各有特點。如卡型機(jī)已發(fā)生兩起艦面共振事故，直五、“云雀”直升機(jī)也曾發(fā)生多起地面共振，但我陸、海、空軍現(xiàn)役其他直升機(jī)從未發(fā)生過?？ㄐ蜋C(jī)艦面共振特性有如下弱點。

2.1 卡型機(jī)艦面共振特性相對較差

2.1.1 摩擦式減擺器的阻尼特性較差

阻尼特性是影響地(艦)面共振的一個基本因素?？ㄐ蜋C(jī)的共軸雙旋翼結(jié)構(gòu)不便于設(shè)置槳葉液壓減擺器，因而采用了摩擦式減擺器。圖1、圖2是兩類減擺器阻尼特性示意圖。可見，摩擦式減擺器的當(dāng)量線性阻尼系數(shù)隨旋翼擺振幅度的增加而迅速減小，即旋翼的阻尼裕量較小，艦面共振特性相對較差。

圖1 摩擦式減擺器當(dāng)量線性阻尼系數(shù)

圖2 液壓式減擺器當(dāng)量線性阻尼系數(shù)

2.1.2 無魚叉不利于增大接艦后機(jī)體的滾轉(zhuǎn)剛度和阻尼

研究表明：魚叉系留時，起落架壓縮量增大，機(jī)體的滾轉(zhuǎn)剛度和阻尼增大，發(fā)生艦面共振的動不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)域減小，有利于預(yù)防艦面共振[1]。卡型機(jī)無魚叉裝置，不利于預(yù)防艦面共振。

2.2 復(fù)雜海況下卡型機(jī)接艦狀態(tài)變化明顯不利于預(yù)防艦面共振

無論單旋翼還是共軸式直升機(jī)，在復(fù)雜海況特別是側(cè)風(fēng)條件下著艦下降，距甲板較近時，受甲板渦流和“艦面效應(yīng)”的影響，都會出現(xiàn)搖晃。因為，如圖3，迎風(fēng)一側(cè)甲板上空的部分旋翼外部受到較強(qiáng)上洗流、側(cè)洗流影響；同時，背風(fēng)一側(cè)甲板上空的部分旋翼則受到較強(qiáng)的渦流負(fù)壓區(qū)的影響[2-3]，易加劇直升機(jī)搖晃；其次，在搖晃過程中，左右兩側(cè)的部分旋翼距甲板距離及“艦面效應(yīng)”的變化，也加劇直升機(jī)搖晃。

但與單旋翼直升機(jī)比，由于共軸式直升機(jī)有兩副旋翼，拉力特性好，且旋翼對重心的力臂較大，對甲板渦流和“艦面效應(yīng)”響應(yīng)更明顯，搖晃更劇烈。其次，卡型機(jī)機(jī)身扁平、雙垂尾、雙旋翼、機(jī)身重心高，對側(cè)風(fēng)響應(yīng)也明顯，也加劇了復(fù)雜氣象條件下著艦狀態(tài)的變化。據(jù)飛行員反映，在復(fù)雜海況下，卡型機(jī)在甲板較低的艦上降落時，狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象較常見。其中，最典型的事例是2012年5月30日，我海軍一架卡型機(jī)在著艦過程中，因海況較差，直升機(jī)劇烈搖晃，連續(xù)三次才著艦成功，曾引起廣泛關(guān)注。而直九、直八直升機(jī)著艦狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象較少。需要說明的是，據(jù)卡型機(jī)兩起艦面共振的視頻可以看出，其直接誘因都是接艦狀態(tài)不穩(wěn)、帶坡度重接艦(共振動態(tài)也相同)。

圖3 有側(cè)風(fēng)時甲板上空渦流示意圖

2.3 卡型機(jī)艦面共振處置難度較大

因卡型機(jī)從著艦到劇烈振動，僅有3s～4s，而其發(fā)動機(jī)停車手柄在中央操縱臺左側(cè)，由左座飛行員操縱。當(dāng)振動時，飛行員右手不能離開駕駛桿以控制狀態(tài)，防止翻倒，左手操縱總距桿，要在3s～4s內(nèi)正確判斷艦面共振并通過左手獨立完成規(guī)定的關(guān)車和上提總距桿動作，要求極高，難度很大。且直升機(jī)進(jìn)入劇烈振動時，飛行員行為能力明顯下降，無法有效處置，對某當(dāng)事機(jī)組詢問的答案證實了這一點。

此外，直升機(jī)正常著艦時往往存在一定振動，艦不穩(wěn)定時振動較明顯且無固定規(guī)律，這就給區(qū)分正常振動和艦面共振帶來較大難度。卡型機(jī)現(xiàn)有技術(shù)資料缺乏明確的艦面共振判定依據(jù)，加之艦面共振屬小概率事件，飛行員沒有處置經(jīng)驗，飛行員要在緊急情況下迅速判斷出艦面共振很困難。根據(jù)某事故卡型機(jī)著艦后戰(zhàn)術(shù)指揮長給出系留手勢和對當(dāng)事機(jī)組的詢問，當(dāng)事機(jī)組在振動初期沒有意識到發(fā)生共振。

卡型機(jī)發(fā)生艦面共振后判斷、處置的難度較大，決定了預(yù)防艦面共振是保證安全的關(guān)鍵。

3 兩起卡型機(jī)艦面共振過程分析

從卡型機(jī)的兩起艦面共振事故視頻可知，其接艦動態(tài)具有共同特點：都表現(xiàn)為直升機(jī)著艦下降中出現(xiàn)了明顯前后左右搖晃；接艦前直升機(jī)右傾、下俯，致使帶右坡度右主輪先重接艦，接著右前輪、左前輪、左主輪接艦；接艦后開始小幅振蕩，約6s后振動明顯增強(qiáng)，機(jī)頭明顯順時針偏轉(zhuǎn)，機(jī)身左側(cè)移動。約10s后機(jī)身損毀、槳葉折斷。

可見，接艦狀態(tài)不穩(wěn)、帶坡度、俯角單輪重接艦是艦面共振的直接原因。其中，“右主、右前、左前、左主輪依次接艦與機(jī)頭順時針偏轉(zhuǎn)”的動態(tài)具有共性，其對艦面共振的誘發(fā)過程可大致分為激起振動、小幅共振、振動發(fā)散三個階段。

1)激起振動：“右主、右前、左前、左主輪依次重接艦”，必然引起與接艦機(jī)輪相同位置處的槳葉附加的向下?lián)]舞與后擺，依次產(chǎn)生附加的離心激振力與振動；由于滿足艦面共振的頻率是一個范圍，因而若機(jī)體振動頻率在變化中接近旋翼激振頻率，兩者就會相互激勵，激起小幅振動。

2)小幅振動：由于軸流狀態(tài)共軸式直升機(jī)的下旋翼受上旋翼的干擾，工作環(huán)境惡劣，旋轉(zhuǎn)阻力與反作用力矩大于上旋翼[4-5]，因而在小幅振動過程中，隨著旋翼運動的混亂加劇，下旋翼向左的反作用力矩不斷增大，機(jī)頭逐步順時針偏轉(zhuǎn)，旋翼槳轂中心也隨機(jī)身同步順時針轉(zhuǎn)動；而由于槳葉與旋翼旋轉(zhuǎn)軸之間通過關(guān)節(jié)相連，不能與槳轂中心同步轉(zhuǎn)動，因而順時針旋轉(zhuǎn)的上旋翼槳葉出現(xiàn)了相對槳轂中心的附加后退型擺振，增大了離心激振力與振動能量。其次，上旋翼的力臂大，傳給機(jī)身的振動能量大；加之卡型機(jī)阻尼特性差，導(dǎo)致前6s內(nèi)振動能量逐漸接近阻尼，處于小幅臨界振動狀態(tài)。

3)振動發(fā)散：由于共振運動的非線性特點，小幅振動中可能因某個原因阻尼減小，致使由臨界狀態(tài)發(fā)散，演變?yōu)楣舱瘛?/p>

4 對預(yù)防卡型機(jī)艦面共振的探討

由于艦面共振誘因與事故鏈的環(huán)節(jié)都較多，加之卡型機(jī)艦面共振特性相對較差，因而其預(yù)防措施也涉及人、機(jī)、環(huán)多個方面。

4.1 加強(qiáng)兩個振動系統(tǒng)相關(guān)部件的維護(hù)，奠定預(yù)防基礎(chǔ)

兩個振動系統(tǒng)相關(guān)部件處于正常狀態(tài)，是避免艦面共振的基礎(chǔ)。而直升機(jī)振動源、振動類型多，海上環(huán)境等都對部件壽命產(chǎn)生不利影響。為此，應(yīng)通過日常檢查、維護(hù)，重點保證起落架(充填壓力、充油)、減擺器的阻尼性能，符合設(shè)計要求；垂直關(guān)節(jié)連接牢靠，無間隙、無變形；靜態(tài)摩擦力應(yīng)符合規(guī)定；緩沖支柱內(nèi)高、低壓腔的充氣壓力應(yīng)符合規(guī)定；輪胎充氣壓力應(yīng)符合規(guī)定(須隨環(huán)境、氣溫調(diào)整)。

其次，由于旋翼槳葉外形及拉桿、調(diào)整片等部件異常往往牽一發(fā)動全身，引起直升機(jī)狀態(tài)變化，因而還應(yīng)按規(guī)定做好旋翼打錐體工作，并需注意檢查、維護(hù)上述部件，以避免出現(xiàn)旋翼脫錐。

4.2 針對艦機(jī)適配性特點，采取針對性預(yù)防措施

兩起卡型機(jī)的事故都證明，接艦狀態(tài)異常，是艦面共振的直接誘因。而接艦狀態(tài)與艦機(jī)適配性直接相關(guān)。據(jù)飛行員反映，在復(fù)雜海況下，卡型機(jī)著艦狀態(tài)不穩(wěn)的現(xiàn)象多出現(xiàn)在甲板較低、外形規(guī)則的某類載艦上。除本次事故外，表1中的三次典型情況也充分證明了這一特點。因而提高其艦機(jī)適配性具有現(xiàn)實緊迫性。

表1 不同載艦甲板對卡型機(jī)著艦狀態(tài)影響的典型事例

直升機(jī)著艦的艦機(jī)適配性主要涉及艦型和甲板合成風(fēng)速、風(fēng)向。其特點需要借助于理論分析、甲板渦流特性試驗及實測。目前，國內(nèi)的工作仍不能滿足需要，因而可借助實踐經(jīng)驗提高艦機(jī)適配性。

4.3 著眼三個階段正確操縱處置，把握預(yù)防最后環(huán)節(jié)

實踐證明，直升機(jī)接艦狀態(tài)不穩(wěn)與接艦重是艦面共振的直接誘因。但著艦過程的各階段又相互關(guān)聯(lián)，同時還受甲板渦流影響。因此，從預(yù)防艦面共振的角度，著艦過程應(yīng)滿足：平穩(wěn)垂直下降、輕穩(wěn)接艦、接艦后視情操縱。

4.3.1 垂直下降中的正確操縱

首先，復(fù)雜海況著艦，機(jī)組要從心理、方法上隨時做好復(fù)飛準(zhǔn)備。艦艇縱橫搖較大或艦尾氣流使直升機(jī)狀態(tài)不穩(wěn)時，若條件不具備，應(yīng)從飛行甲板退出，在艦尾等待平穩(wěn)期再次著艦。

其次，直升機(jī)下降搖晃時修正動作不宜大，應(yīng)及時回桿。因為，直升機(jī)有一定的橫側(cè)穩(wěn)定性，且直升機(jī)搖晃時艦面效應(yīng)的變化也起到穩(wěn)定姿態(tài)的作用；另一方面，前飛速度較小時，直升機(jī)的操縱反應(yīng)較慢，如果修正量過大，可能加劇狀態(tài)發(fā)散。

再次，保持有利的接艦姿態(tài)。一是應(yīng)盡可能輕穩(wěn)接艦。須認(rèn)識到，直升機(jī)在下降中出現(xiàn)搖晃時，快著艦不等于重著艦，快放總距不等于粗放總距，即放總距應(yīng)及時、柔和，接艦瞬間可視情稍補(bǔ)點總距，以盡量減小接艦時的下降率。二是應(yīng)注意避免“機(jī)輪依次重接艦”。由于直升機(jī)接艦下降中搖晃時，下降率容易大，在俯仰穩(wěn)定力矩作用下機(jī)頭必然下俯，因而一側(cè)主輪接艦前后應(yīng)適量帶桿，避免隨后前輪重接艦。

4.3.2 接艦后視情正確處置

第一，如果接艦重，直升機(jī)狀態(tài)明顯不穩(wěn)，但艦搖晃較小，可先將發(fā)動機(jī)置于慢車狀態(tài)，并關(guān)飛控系統(tǒng)，再系留直升機(jī)。

盡管目前卡型機(jī)著艦后是在“自動”狀態(tài)進(jìn)行系留的，這里有直升機(jī)接艦后艦船劇烈搖晃時修正或緊急離艦的考慮，但在“慢車”狀態(tài)系留有三個優(yōu)點：一是有關(guān)研究結(jié)果表明，旋翼拉力增加，起落架的壓縮量減小，機(jī)體的滾轉(zhuǎn)剛度和阻尼減小，艦面共振的動不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)域增大，不利于預(yù)防艦面共振[1]；二是慢車狀態(tài)發(fā)動機(jī)功率小，共振能量??；三是由于直升機(jī)在地面傾斜后，旋翼拉力起不穩(wěn)定作用，重力起穩(wěn)定作用；慢車狀態(tài)旋翼拉力與其不穩(wěn)定作用較自動狀態(tài)小，直升機(jī)搖晃幅度也小，加之艦搖晃較小這一前提條件，已沒有緊急離艦的必要。將發(fā)動機(jī)至于慢車狀態(tài)系留，既有利于預(yù)防艦面共振，也避免了采用立即關(guān)車的方法可能對發(fā)動機(jī)造成的損傷，因而是預(yù)防艦面共振一個較實用的措施。其次，直升機(jī)振動時，飛控系統(tǒng)不斷調(diào)整以穩(wěn)定姿態(tài)，很易在調(diào)整中對旋翼產(chǎn)生激勵，誘發(fā)艦面共振。

第二，如果發(fā)現(xiàn)振動有明顯增大趨勢，應(yīng)果斷關(guān)車，并上提總距。

5 結(jié)束語

1)分析表明，卡型機(jī)的艦面共振特性較差；且在復(fù)雜海況下降落于低甲板載艦時狀態(tài)不穩(wěn)，不利于預(yù)防艦面共振。鑒于卡型機(jī)的護(hù)航、演習(xí)等任務(wù)日益繁重，有效預(yù)防艦面共振是卡型機(jī)面臨的一個重要問題。

2)卡型機(jī)艦面共振的預(yù)防措施涉及到艦機(jī)適配性、直升機(jī)維護(hù)、著艦操縱策略等諸多問題。其中，增強(qiáng)艦機(jī)適配性是根本性對策。

3)在卡型機(jī)艦機(jī)適配性難以完全滿足的現(xiàn)狀下，如果以較大側(cè)風(fēng)降落于低甲板的載艦，且艦搖晃不明顯，在“慢車”狀態(tài)系留直升機(jī)，是預(yù)防艦面共振一個較實用的措施。

4)從已發(fā)生的兩起卡型機(jī)艦面共振事故看，艦的縱橫搖(國內(nèi)事故分別為0.3°、1°)及對共振影響可忽略，因而這兩起事故實際上仍屬于地面共振。因此，卡型機(jī)地面共振預(yù)防也不容忽視。