基于卸載式升力模擬的直升機縮比模型著水試驗技術(shù)研究

王 莉，陳立霞，汪正中

(1.中國航空工業(yè)集團有限公司 科技發(fā)展部，北京 100028；2.中國直升機設(shè)計研究所 直升機旋翼動力學(xué)重點實驗室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

海洋擁有巨大的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義，隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展以及軍事需求的增加，海上飛行活動日益頻繁，提高海上飛行的安全性和救生能力問題也越來越受到人們的重視。根據(jù)適航[1]和國軍標[2]的要求，在離岸50海里水上使用的航空器，為了保證人員和設(shè)備的安全，必須滿足水上迫降的要求。美國的咨詢通報[3]要求申請水上迫降的直升機在進行飛行試驗之前，為了保證安全，必須用可靠的理論分析方法或模型水動試驗來表明直升機具有著水能力。而CCAR29部的第29.563條規(guī)定“在整個著水撞擊過程中，作用于重心的旋翼升力不得大于最大設(shè)計重量的三分之二”，因此，開展模型水動試驗的三分之二升力模擬研究十分必要。

國外對于直升機的水上迫降試驗技術(shù)研究開展較早，英國、美國等國家一直在開展直升機迫降與漂浮特性所需的建模技術(shù)、試驗技術(shù)以及試驗設(shè)施的研究。20世紀80年代，韋斯特蘭航空公司針對EH101型直升機開展了縮比模型試驗[4]，在模型上安裝縮比旋翼以產(chǎn)生相當(dāng)于2/3的校準拉力，表明了EH101具有良好的水上迫降特性。1986年，英國地效飛行器公司對V-22“魚鷹”的1:12縮比模型進行了水上迫降性能試驗[5]，由動力驅(qū)動兩副同步旋翼以便在迫降試驗中模擬升力。

中國特種飛行器研究所開展過K27直升機應(yīng)急浮囊著水沖擊載荷試驗[6]，通過定制兩根彈力合適的長彈簧，確定模型在投放到接水瞬間彈簧的伸長量剛好能產(chǎn)生三分之二模型重量的升力。在某對俄合作項目中，為驗證國內(nèi)直升機模型著水載荷試驗?zāi)芰?，在中國特種飛行器研究所進行了剛性浮筒縮比模型的入水試驗[7]，但該試驗中并未模擬三分之二升力。

本文針對直升機縮比模型著水試驗的卸載式旋翼升力模擬技術(shù)，開發(fā)設(shè)計了新的試驗卸載裝置，探索了新的試驗方法，開展了重復(fù)性試驗，通過試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了試驗裝置和試驗方法的可行性和可靠性，可應(yīng)用于直升機縮比模型的水上迫降適航取證試驗。

1 旋翼升力模擬技術(shù)方案選擇

在直升機水上迫降升力模擬技術(shù)中存在兩個關(guān)鍵因素：一是模擬旋翼升力的方向要始終通過重心；二是要保證準確模擬升力的大小。以國內(nèi)外現(xiàn)有研究情況來看，在民用直升機水上迫降升力模擬研究中多采用以下幾種方法開展升力模擬研究：卸載式旋翼升力模擬技術(shù)、縮比旋翼升力模擬技術(shù)和重量扣除式升力模擬技術(shù)。

1.1 卸載式旋翼升力模擬技術(shù)

卸載式升力模擬主要是在模型上通過卸載裝置給模型施加一個模擬升力，通過滑輪裝置直接將卸載與模型連接，模型在投下過程中，卸載跟隨模型一起運動。此方式在中國特種飛行器研究所在研型號“AG600”無動力模型的水動力性能試驗中多次應(yīng)用。卸載式旋翼升力模擬裝置原理示意圖如圖1所示。

圖1 卸載式旋翼升力模擬裝置原理示意圖

考慮到直升機模型水上迫降試驗的特殊性，卸載式升力模擬裝置應(yīng)進行重新設(shè)計和改進：主要解決卸載裝置與模型投放裝置之間的干涉、卸載裝置對模型運動狀態(tài)的影響等問題。

1.2 縮比旋翼升力模擬技術(shù)

縮比旋翼升力模擬方法是指通過加工縮比的旋翼，通過模型內(nèi)部或者外部動力裝置來驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動以產(chǎn)生直升機水上迫降所需要的模型重量三分之二的旋翼升力。具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 縮比旋翼升力模擬方式原理圖

該試驗方案主要有三個缺點：一是旋翼的軸系設(shè)計較為復(fù)雜，既要實現(xiàn)旋翼的共軸對轉(zhuǎn)，還要使軸系能與投放裝置完全匹配，保證試驗的順利進行；二是軸系與動力系統(tǒng)安裝在模型內(nèi)部，占用了模型的內(nèi)部空間和重量。而且軸系的安裝需要專門設(shè)計對應(yīng)的安裝接口，這也對模型的設(shè)計提出了更高的要求。

1.3 重量扣除式升力模擬技術(shù)

重量扣除式升力模擬技術(shù)是指通過直接減輕模型重量的方式，將模型著水重量減少至模型試驗所需重量的三分之一，直接以減輕的重量作為模擬的三分之二的旋翼升力。這種方法最為直接和方便，既不需要使用卸載裝置，也不需要旋翼裝置，不需要改動模型投放裝置，而且模擬的升力十分準確。但是這恰恰也是實施起來難度最大的一項方案，因為直升機的水上迫降試驗?zāi)Ｐ筒煌诤侥：推渌惖淖杂娠w模型，除了對模型的外形有嚴格要求以外，還要求模型具有一定的結(jié)構(gòu)強度，撞水部位還應(yīng)具有一定的剛度，最好能與實機的相似。以現(xiàn)有的復(fù)合材料和模型加工工藝技術(shù)來看，研制縮比模型且重量為縮小后的三分之一以內(nèi)幾乎是不可能的事情。

1.4 選定的旋翼升力模擬技術(shù)方案

三種方法的關(guān)鍵技術(shù)研究點不同，開發(fā)使用的試驗裝置、試驗方法也不相同，技術(shù)難易度也不相同。相比較而言：

卸載式旋翼升力模擬技術(shù)相對更容易實現(xiàn)，其試驗裝置開發(fā)難度最小，而且對于升力的模擬更為準確?？s比旋翼式升力模擬技術(shù)試驗裝置開發(fā)難度最大，一是國內(nèi)外沒有相關(guān)的技術(shù)資料，二是受到模型尺寸和重量的限制。旋翼軸系和齒輪都得重新開發(fā)設(shè)計、選擇材料以及加工，而且還要結(jié)合試驗情況進行修改。試驗過程中由于裝置集成在模型內(nèi)部，外部沒有多余附加裝置，對模型運動情況不造成干擾。重量扣除式升力模擬技術(shù)是最難實現(xiàn)的，以現(xiàn)有的模型材料和加工工藝還不能達到要求。后續(xù)可以考慮研究新的模型設(shè)計方法，引入更輕的復(fù)合材料，采用更輕量化的設(shè)備進行。

因此，最終選定卸載式旋翼升力模擬技術(shù)應(yīng)用于直升機縮比模型著水試驗。

2 基于卸載式旋翼升力模擬技術(shù)的直升機縮比模型著水試驗

卸載式旋翼升力模擬技術(shù)研究過程中的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點：①三分之二旋翼升力大小的準確模擬；②卸載裝置開發(fā)與設(shè)計；③卸載式旋翼升力模擬試驗方法的探索與研究。

為了解決三分之二旋翼升力大小的準確模擬，采用了卸載通過滑輪、鋼索與模型直連的方式，卸載采用標準砝碼，保證了模型三分之二旋翼升力大小的準確模擬。同時，為了保證旋翼升力始終過重心，將模型上的卸載桿設(shè)計為鉸鏈形式，可以360°自由轉(zhuǎn)動，這樣就保證了模型在下落入水運動過程中卸載力始終垂直向上。

卸載裝置的開發(fā)與設(shè)計主要解決卸載裝置和模型投放裝置的干涉問題。采用了卸載平均分掛在模型上卸載桿的兩端的方法，避免安裝過程中與投放裝置干涉。同時將卸載滑輪分兩邊固定在線性滑塊上，避免模型在下落著水后向拖車后部運動的過程中與投放裝置干涉。為使卸載裝置對模型運動不造成干擾，采取了模型投放入水向后運動過程中卸載與模型分離的方式，既保證了模型下落過程中旋翼升力的準確模擬，又保證模型運動的真實性和安全性。

試驗方法主要結(jié)合已有的直升機水上迫降試驗技術(shù)和相關(guān)試驗經(jīng)驗開展；試驗步驟參照模型的水上迫降試驗開展；測試系統(tǒng)、測試方法及數(shù)據(jù)處理也參照相關(guān)試驗進行。

2.1 試驗方案設(shè)計

卸載式旋翼升力模擬技術(shù)實施過程中主要針對卸載裝置和投放裝置進行了深入研究和優(yōu)化改進，整個方案實施內(nèi)容具體如下：

卸載裝置包括：線性滑軌、線性滑塊、卸載滑輪、卸載鋼索和卸載塊、模型上的卸載安裝座。卸載安裝座實物見圖3。

圖3 卸載安裝座實物

圖中黑色桿為模型卸載桿，兩端連接卸載鋼絲。卸載桿通過軸承與模型試驗安裝板連接。卸載桿可以自由轉(zhuǎn)動以保證卸載力在下落過程中始終通過模型重心且垂直向上。經(jīng)多方面綜合考慮(模型密封、結(jié)構(gòu)完整和安全性等)，將卸載桿上移至安裝板上。

投放裝置包括：電磁鉤、模型固定裝置、模型姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置。投放裝置實物圖見圖4。

圖4 卸載式旋翼升力模擬方案投放裝置

同時，為避免試驗過程中出現(xiàn)模型傾覆的情況，對該技術(shù)進行了改進和優(yōu)化：新試驗裝置多了一套電磁脫離系統(tǒng)，鋼索與卸載桿之間增加了一塊電磁鐵；為防止卸載脫離后砸壞模型，增加了卸載限位下落裝置。電磁鐵分離控制開關(guān)安裝在拖車測橋上，觸發(fā)開關(guān)安裝在線性滑塊上。電磁鐵電源線留有足夠余量保障滑塊前后運動不受干涉。優(yōu)化試驗方案后，試驗順利完成，試驗過程中既保證了模型在下落入水過程中始終帶有過重心的三分之二升力，又保證模型完成入水后能及時與拖車分離，不造成模型損傷。試驗?zāi)Ｐ桶惭b示意圖如圖5所示。

圖5 卸載式旋翼升力模擬試驗?zāi)Ｐ桶惭b圖

此方案的創(chuàng)新點有以下兩點：

1) 三分之二旋翼升力的大小模擬準確，升力方向過重心；

2) 模型投放后，在著水向后運動的過程中卸載裝置會與模型分離。

該試驗方案測量的主要參數(shù)為：機身俯仰角、機身首部的垂向過載和機身著水壓力。

2.2 試驗件

試驗?zāi)Ｐ涂s比模型主要包括機體縮比模型和浮筒縮比模型，其參數(shù)符合原機按照縮比比例(λ=1/7.5)關(guān)系換算后的結(jié)果。模型重量重心及轉(zhuǎn)動慣量見表1，機身坐標系定義見圖6，模型外形見圖7。

表1 模型重量重心及轉(zhuǎn)動慣量

圖6 機身坐標系定義(Z軸方向由右手定則判定)

圖7 模型實物圖

2.3 試驗步驟

基于卸載式旋翼升力模擬技術(shù)的直升機縮比模型著水試驗按照以下步驟開展：

1) 模型附件安裝，包括浮囊、安裝板、卸載裝置、機載傳感器和測試設(shè)備；

2) 模型重量、重心、慣量調(diào)試；

3) 安裝模型投放裝置及卸載裝置(線性滑軌、線性滑塊、滑輪)；

4) 閉合電磁鉤吊裝模型，電磁鐵通電連接卸載裝置；

5) 調(diào)整模型投放裝置使模型俯仰角、橫滾角滿足試驗要求；

6) 打開測試系統(tǒng)電源，預(yù)熱5分鐘，進入等待觸發(fā)采集狀態(tài)；

7) 啟動拖車，觸發(fā)采集系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù)，拖車上錄像系統(tǒng)同步啟動，記錄試驗過程；

8) 拖車速度穩(wěn)定后，打開電磁鉤，投下模型；

9) 打撈回收模型至船塢，讀取模型試驗數(shù)據(jù)，填寫試驗記錄表；

10) 檢查模型狀態(tài)，如正常直接重復(fù)步驟1-9，如遇異常情況及時處理后，調(diào)整模型狀態(tài)至正常后重復(fù)步驟1-9。

2.4 試驗結(jié)果

為驗證試驗的安全性和考察試驗系統(tǒng)的運行情況，進行了模型三分之二升力卸載試驗。模型前飛速度為5.63m/s ，投放高度為15mm，浮囊壓力為10kPa。該工況進行了三次重復(fù)投放，試驗現(xiàn)場如圖8所示。對此工況中三次重復(fù)試驗的數(shù)據(jù)進行了對比分析，主要對比了俯仰角變化曲線、首垂過載變化曲線和典型壓力變化曲線，具體如圖9-圖11。

圖8 試驗現(xiàn)場

圖9 俯仰角變化曲線對比圖

圖10 首垂過載變化曲線對比圖

圖11 壓力變化曲線對比圖

對比試驗曲線發(fā)現(xiàn)，三次試驗的俯仰角變化、首垂過載變化以及典型壓力點壓力變化無論是在變化規(guī)律、趨勢還是峰值點上都十分接近，表明了三次試驗有很好的重復(fù)性，直接證明了卸載式旋翼升力模擬方法的可行性、可重復(fù)性和可靠性。

3 結(jié)論

針對適航規(guī)章提出的直升機縮比模型水上迫降試驗中三分之二重量旋翼升力模擬的要求，對卸載式旋翼升力模擬、縮比旋翼升力模擬和重量扣除式升力模擬三種方案進行了對比分析，得到以下結(jié)論：

1) 卸載式旋翼升力模擬技術(shù)具有試驗裝置簡單易實現(xiàn)、旋翼升力模擬簡單準確、試驗方法簡單可靠、試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好等多方面優(yōu)點，更適用于直升機模型水上迫降試驗；

2) 卸載式旋翼升力模擬技術(shù)能夠準確模擬三分之二旋翼升力的大小,升力方向過重心，符合規(guī)章條款要求，且模型在投放后的運動過程中卸載裝置會與模型分離，不會干擾試驗過程；

3) 針對卸載式旋翼升力模擬技術(shù)，設(shè)計了新的試驗卸載裝置，探索了新的試驗方法，并開展了重復(fù)性試驗，通過試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了試驗裝置和試驗方法的可行性和可靠性；

4) 建立的卸載式旋翼升力模擬技術(shù)，能夠用于直升機縮比模型水上迫降適航取證試驗，為國內(nèi)民用直升機水上迫降適航取證提供技術(shù)支撐。