艦載直升機艦面開關車包線分析技術研究

周禹　沈靂　惠曉剛

摘? 要：艦載直升機艦面開關車包線是直升機-艦船動態(tài)配合特性驗證的重要內容之一。主要通過總結提煉國內外在直升機艦面開關車包線分析技術研究方面的成果，系統(tǒng)介紹并分析了該項技術的內涵、研究目的，以及主要研究思路和研究內容，并通過分析國內主要技術差距提出后續(xù)工作建議。

關鍵詞：艦載直升機;開關車包線;旋翼瞬態(tài)氣彈響應

中圖分類號：V275 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0011-04

Abstract： Technical connotation and research purposes on shipboard engage/disengage envelope are been analyzed in this thesis. At the same time， research ideas and contents are been introduced by the numbers， based on the productions all over the world.

Keyword： shipboard helicopter; engage/disengage envelope; transient aeroelastic rotor response

1 概述

艦載直升機是現(xiàn)代海軍維護海洋權益、保障領海安全的重要軍事力量。艦載直升機承擔的主要任務包含反潛反艦、空中預警、布雷掃雷、垂直補給、以及偵察救護等[1]。

對于直升機的艦面開關車階段而言，其中一個典型特點是旋翼轉速較低，因此旋翼的離心力不大，但此時旋翼的氣動力相比較而言卻可能很大，尤其是在高海況或是較大風速條件下，再加上此時特殊的直升機-艦船氣動干擾環(huán)境，旋翼槳葉易在此時發(fā)生向下的過量揮舞，一旦出現(xiàn)該現(xiàn)象，將容易導致槳葉與機身、尾槳等部件之間的碰撞，造成不同程度的安全事故。研究發(fā)現(xiàn)，槳葉的過量揮舞通常發(fā)生在開車階段旋翼的開始幾圈旋轉過程和關車階段的最后幾圈旋轉過程中[2]。美國海軍的H46縱列式直升機自1964年服役以來，在艦面實施開關車的過程中，曾遭遇過上百次槳葉與傳動軸的碰撞事故，輕則引起傳動軸表面的變形或是撕裂表面，重則切斷傳動軸、損壞槳葉或是引起槳葉揮舞限動裝置的失效[3]。因此，為盡量避免該類事故的發(fā)生，要求直升機在艦面開關車實施過程中必須嚴格按照相關的限制條件執(zhí)行。

本文將主要針對艦載直升機艦面作業(yè)和飛行系列包線中的艦面開關車包線，通過對國內外研究成果的總結與分析，重點介紹該項技術的研究思路，同時對該項技術的技術內涵、研究目的、意義等進行分析，并通過分析國內主要技術差距提出后續(xù)工作建議。

2 技術內涵及研究目的

直升機艦面開關車包線是針對某一型直升機-艦船組合，在不同海況、艦船運動、以及駕駛員操縱等條件下，直升機在艦面實施旋翼開關車時，不同甲板風速、風向的最大安全邊界。圖1為直升機艦面開關車包線的一種典型描述，其中陰影部分為可安全實施開關車操作的甲板風速、風向范圍[4]。

直升機艦面開關車包線分析技術一般是通過對艦面使用環(huán)境下，旋翼槳葉的瞬態(tài)氣彈響應特性進行分析，獲得槳葉槳尖的最大向下?lián)]舞量，從而確定不同甲板風條件下槳葉與機身的間距，依據(jù)一定的標準或要求制定出甲板風的最大安全邊界。

直升機艦面開關車包線分析技術研究工作的最終落腳點在于：掌握直升機在艦面環(huán)境下旋翼槳葉的瞬態(tài)氣彈響應特性，明確槳葉與機身、尾槳等發(fā)生碰撞的原因，針對關鍵參數(shù)的影響，分別從設計改進以及實際使用的角度制定安全措施，以最大限度減小艦面開關車實施過程中安全事故發(fā)生的幾率。

3 國內外研究現(xiàn)狀

直升機艦面開關車包線分析技術是直升機-艦船動態(tài)配合特性分析與驗證技術研究的重要內容[5]。二十世紀中期以來，隨著艦載直升機應用領域的擴展，機艦動態(tài)配合問題引起越來越為廣泛的關注，針對艦面開關車包線技術的相關研究工作也從無到有，由淺入深的逐步開展中。

在國內外針對該項技術的研究工作中，成果較為顯著的當屬美國賓夕法尼亞大學與美國海軍聯(lián)合開展的直升機艦面開關車過程旋翼槳葉瞬態(tài)氣彈響應特性研究項目[3]。項目開始于1995年，在該項研究工作中，基于已有的旋翼槳葉靜態(tài)試驗、直升機-艦船縮比模型風洞試驗、以及真實艦面環(huán)境下開關車試驗等一系列、多個機型的試驗結果以及理論建模、參數(shù)分析等理論研究成果，首次比較系統(tǒng)的介紹了旋翼槳葉瞬態(tài)氣彈響應預測技術及在直升機艦面開關車包線分析技術中的應用。

近些年來，以國內高校相關專業(yè)的研究工作為代表，各方學者和工程技術人員也針對直升機艦面旋翼瞬態(tài)氣彈響應特性開展了一些研究工作?？岛频仍谝延心Ｐ突A上，針對槳葉結構模型以及起落架模型[5]等開展了進一步的研究，分析了包含傾轉旋翼在內的多種型式旋翼艦面瞬態(tài)氣彈響應。韓東等也在理論建模的基礎上，對槳葉-機身碰撞機理以及鉸接式旋翼剛柔耦合[6]、彈性變形耦合、艦船縱/橫向運動[7]和浮沉運動[8]等對艦面直升機旋翼瞬態(tài)氣彈響應的影響進行了分析。

但總體來看，國內的研究內容仍主要集中在理論建模技術和主要參數(shù)分析方面，對相關的評估標準，以及試驗內容、試驗方法等的研究工作仍然缺乏，艦面開關車包線分析技術的研究仍未系統(tǒng)全面開展。

4 研究思路

直升機艦面開關車包線分析技術研究的主要思路可簡要概括為：首先建立旋翼槳葉瞬態(tài)氣彈響應理論分析模型，通過若干的專項試驗結果對理論模型進行驗證;基于驗證和完善后的模型，對旋翼槳葉瞬態(tài)氣彈響應特性、槳葉槳尖向下?lián)]舞最大位移量、槳葉-機身間距等進行預測，依據(jù)一定的標準制定出艦面開關車包線;通過關鍵參數(shù)分析給出減小直升機槳葉-機身碰撞事故發(fā)生概率的設計改進以及使用建議。

4.1 理論預測模型

在研究中，槳葉模型被簡單處理為包含揮舞和扭轉運動的彈性梁，使用漢密爾頓原理建立槳葉運動方程，并使用有限元方法進行離散處理，在非定常氣動載荷建模方面使用葉素等理論[9]。本文將主要針對鉸接式旋翼進行介紹。

在對旋翼槳葉理論建模之前，首先引入了幾個假設條件：

（1）因旋翼開關車過程中槳葉-機身的碰撞現(xiàn)象主要發(fā)生在低于20%標準旋翼轉速工作范圍內，故建模不考慮擺振運動;

（2）因艦船運動的頻率相對直升機旋翼的運動頻率而言較低，故建模不考慮艦船運動;

（3）因旋翼開關車過程旋翼轉速較低，相比較離心力而言，槳葉重力不容忽視，故建模需考慮槳葉重力的作用。

基于上述考慮和假設，建立旋翼瞬態(tài)氣彈響應分析模型。

（1）槳葉結構模型

使用漢密爾頓原理建立槳葉運動能量方程，主要考慮：離心剛度對揮舞運動影響;槳葉揮舞、扭轉變形，變距拉桿，揮舞限動裝置的應力應變;槳葉重力、揮舞運動阻尼、以及艦面環(huán)境下氣動載荷對槳葉運動的影響。

對于鉸接式旋翼而言，在艦面開關車階段較為重要的一個結構特點是揮舞運動的上、下限動裝置，該機械裝置主要實現(xiàn)對旋翼揮舞鉸向上和向下的運動進行約束。以揮舞下限動裝置為例，在旋翼開車過程中，旋翼轉速較低、揮舞鉸角度小于某一特定數(shù)值時，該裝置將對槳葉的向下?lián)]舞產(chǎn)生約束;當旋翼轉速增大到一定數(shù)值時，該裝置的約束作用取消，直至關車過程旋翼轉速減小至特定數(shù)值。

在理論模型中，將揮舞限動裝置連同槳葉一起處理成帶一定約束條件的，揮舞鉸處的彈簧系統(tǒng)。對于揮舞下限動裝置，當揮舞鉸角度大于限動裝置設定角度時，彈簧剛度系數(shù)為零;當小于設定角度時，該彈簧系統(tǒng)將提供足夠的剛度產(chǎn)生約束作用。

此處需指出：

在假設1前提下，槳葉運動僅考慮了揮舞和扭轉，但隨著新型復合材料槳葉等技術的發(fā)展，這一假設可能存在一定的局限性。為進一步提高模型的精確度，可考慮槳葉揮舞、擺振、扭轉、以及拉伸變形等運動以及各運動間的耦合作用。

在假設2中，因考慮到艦船運動頻率相對旋翼運動頻率較低，故忽略了艦船運動對旋翼慣性載荷的影響。但在真實環(huán)境下，艦船角運動必然引起旋翼槳盤不同程度的隨動揮舞，尤其是在旋翼轉速較小的情況下隨動揮舞會更加明顯，這種旋翼槳盤傾斜相對于機身角運動的滯后響應現(xiàn)象是否會對槳葉-機身間距產(chǎn)生明顯影響，仍需進一步的分析和驗證。

（2）氣動環(huán)境模型

受艦船運動、甲板環(huán)境、以及海上復雜多變氣象條件等的綜合作用，直升機旋翼槳盤所處的氣動環(huán)境較為復雜，而且具有明顯的非定常性，因此，在對該部分內容進行理論建模時，需充分考慮艦面環(huán)境的實際特點。對旋翼槳盤處的氣動環(huán)境通常從四個方面進行考慮，分別是：

a.艦船運動

在洋流作用下，艦船運動可呈現(xiàn)多種形式。旋翼瞬態(tài)氣彈響應分析中，通常將艦船運動簡化處理為包含縱、橫、垂三向線運動和角運動的剛體模型。由前述假設，忽略艦船運動對旋翼槳葉慣性力的影響，僅考慮對旋翼氣動力的影響。

b.甲板風

在旋翼瞬態(tài)氣彈響應分析中，通常將甲板風作為常值風處理，用以模擬甲板的定常風環(huán)境，使用水平風速、風向、和垂向風速分量三個要素進行定義。

c.陣風

與甲板風相比，通過建立陣風模型對甲板氣流的復雜擾動環(huán)境進行模擬。在已有研究中，選擇了三種典型模型分別模擬旋翼槳盤處不同的擾流類型，包含：常值擾動、階躍擾動、和線性擾動。

d.非定常氣動力

除上述三種氣動環(huán)境外，槳葉氣動載荷還在不同程度上受到非定常氣動力等的影響，包含槳葉氣動失速、尾流分離等。研究表明，在變風速的陣風擾動以及較大風速的常值風擾動環(huán)境下，對非定常氣動力建模的考慮將增加整個分析模型的精確度。

4.2 開關車包線評估方法

直升機艦面開關車包線是用于確定開關車過程中甲板風最大安全邊界的一種圖形工具，主要是通過對旋翼槳葉瞬態(tài)氣彈響應的分析，獲取槳葉槳尖的最大向下?lián)]舞量，基于一定的槳葉-機身間距標準制定而成。

對于特定的一型直升機-艦船組合，在指定開關車剖面、海況、艦船運動、以及駕駛員操縱等條件下，艦面開關車包線制定的具體步驟可描述為：

（1）首先，獲得不同甲板風速、風向組合條件下，旋翼槳葉槳尖最大向下?lián)]舞位移量。其中，甲板風速、風向數(shù)據(jù)點的選取遵循由中心向邊界逐步推進的原則。在H46直升機開關車旋翼瞬態(tài)氣彈響應分析中，甲板風向間隔選為15°，風速由中心向外間隔選為5節(jié)，共選取240個狀態(tài)點。

（2）基于旋翼槳葉槳尖最大向下?lián)]舞位移量，獲取槳葉-機身最小間距數(shù)據(jù)結果，并按照一定的標準進行等級劃分。可參照H46直升機槳葉-機身間距等級（blade clearance scale，簡稱BCS）劃分標準[4]。

（3）依據(jù)直升機-艦船特定組合對槳葉-機身間距等級的具體要求，給出甲板風最大安全邊界，制定出艦面開關車包線。

在旋翼瞬態(tài)氣彈響應的分析過程中，對艦面開車過程和關車過程的處理方法是相同的。圖2給出了使用BCS標準制定艦面開關車包線的一個樣例。圖中，將不同甲板風條件下各狀態(tài)點結果按照間距等級標準進行劃分，四種圖標分別標識了4個等級的結果。要求槳葉-機身安全間距不得小于8inch，即不得低于等級2，故使用等級2、等級3邊界確定最大安全包線，圖中陰影部分即為包線范圍。

目前，針對不同直升機-艦船組合下，槳葉-機身間距不同等級邊界定義方面的研究工作正在進一步開展中。

4.3 參數(shù)分析

針對鉸接式旋翼系統(tǒng)的直升機，考慮的關鍵參數(shù)主要包含：氣動環(huán)境、駕駛員操縱、以及旋翼設計參數(shù)。

（1）氣動環(huán)境

主要包含艦船運動參數(shù)以及不同類型陣風擾動形式。其中，艦船運動參數(shù)包含：旋翼槳轂中心到艦船重心的縱/橫/垂向距離以及艦船縱/橫/垂向運動參數(shù)（幅值、周期、初始相位等）;不同類型的陣風擾動形式主要反映了艦面環(huán)境下流場不同程度的紊流度。

（2）駕駛員操縱

a.開車實施前的操縱輸入設置。主要是指開車實施前的總距、縱橫向周期變距設置。

b.開車階段的槳葉初始方位。主要是指在不同的甲板風來流方向下槳葉的初始方位角。

c.開關車旋翼轉速剖面。駕駛員對開關車剖面的控制主要體現(xiàn)在開車階段油門的加速率和關車階段旋翼剎車實施的時機。

（3）旋翼設計參數(shù)。主要是指旋翼揮舞阻尼在減小槳葉槳尖向下?lián)]舞位移方面的有效性。

通過關鍵參數(shù)分析，不僅明確了不同直升機-艦船組合方式下，槳葉與機身、尾槳等發(fā)生碰撞的原因，還分別從艦船運動，直升機艦面位置，駕駛員開車前操縱量、開車時機、開關車過程控制，以及設計改進等方面給出艦面旋翼開關車安全實施的條件限制和合理建議，可最大限度減小安全事故發(fā)生的幾率，這也正是直升機艦面開關車包線分析技術研究的最終目的所在。

5 國內主要差距及后續(xù)工作建議

在直升機艦面旋翼開關車包線的系統(tǒng)分析和技術研究方面，美國一直保持“獨樹一幟”的地位。與之相比，國內的主要差距在于：

（1）基于直升機艦面旋翼開關車包線的技術特點，該包線主要是通過經(jīng)試驗、試飛驗證過的理論預測模型給出。理論模型的準確性、可靠性將是決定包線是否安全、合理的關鍵所在。近年以來，在直升機艦面旋翼瞬態(tài)氣彈響應理論建模技術方面，國內高?；诿绹延谐晒_展了不少工作，但仍存在諸多的不完善之處，主要集中在艦面環(huán)境對直升機旋翼瞬態(tài)氣彈響應特性的影響方面，包括不同機-艦組合下直升機艦面使用環(huán)境的仿真模擬，不同海況、洋流運動情況下艦船運動模型的搭建，艦面穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)氣動流場模型的搭建等。此外，由于國內未系統(tǒng)開展過相關的試驗、試飛工作，理論驗模技術仍存在空白。

（2）按照美國海軍艦機動態(tài)界面相關使用包線的規(guī)定，所給出的直升機艦面旋翼開關車包線必須是經(jīng)過最終試飛驗證后的結果。因此，圍繞直升機艦面旋翼開關車包線試飛驗證內容、驗證程序、驗證方法、安全保障措施、以及相關的前置試驗項目（實驗室試驗、風洞/水洞試驗）等的試驗/試飛驗證技術研究，將是該項工作系統(tǒng)、有效開展的關鍵一環(huán)，而這恰恰是國內目前缺失的主要環(huán)節(jié)。

艦面旋翼開關車包線的邊界確定是基于槳葉-機身的最小安全間距要求，該邊界的確定需考慮開關車包線的主要影響因素、并綜合考慮具體的機-艦組合特點和艦面使用環(huán)境。但目前國內直升機機艦適配性相關的國軍標、型標、試飛標準等標準規(guī)范中，均無針對該邊界等級的界定要求。在美國相關的研究報告和公開文獻中，對于該邊界等級的制定依據(jù)也不明確，這也成為該項技術研究中不可避免的工作內容。

（3）綜上，國內目前并未系統(tǒng)開展直升機艦面旋翼開關車包線分析技術的研究，與國外相比，在諸多關鍵技術點上存在較大差距。該項技術涉及專業(yè)領域較廣，包含理論建模、仿真分析、實驗室試驗、風洞/水洞試驗、飛行試驗等多項技術領域和直升機、船舶的設計/使用等部門，技術難度和資源保障難度較大，建議后續(xù)依托型號任務，聯(lián)合試驗/試飛單位、主機廠所、高校、船舶等相關部門，針對其中的關鍵技術點開展專項研究。

6 結束語

本文主要通過對比國內外研究現(xiàn)狀，總結提煉現(xiàn)有研究成果，對直升機艦面開關車包線分析技術的技術內涵、研究目的、研究思路以及主要研究內容等進行系統(tǒng)的介紹和分析。

直升機裝備水面艦艇是海軍現(xiàn)代化的一個重要標志。隨著國際形勢的發(fā)展，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中艦載直升機的作用必將越來越突出，無論現(xiàn)在還是未來，我海軍對艦載直升機的需求必然會越來越廣泛。在艦載直升機眾多專用技術之中，機艦動態(tài)配合問題正是亟需解決的重要問題之一。作為直升機機艦動態(tài)配合技術研究不可或缺的內容，艦面開關車包線分析技術將成為艦載直升機技術發(fā)展必然面臨且必須解決的問題。因此，如何把握住我國艦載直升機型號研制的大好機遇，結合該項技術的技術特點，系統(tǒng)開展相關試驗技術研究是我國艦載直升機試飛技術面臨的一項重要課題。本文的研究內容，為后續(xù)相關工作的系統(tǒng)開展奠定了基礎，明確了方向，具有一定的指導意義。

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