某型直升機(jī)異常離地狀態(tài)的尾槳渦環(huán)特性分析

費(fèi)景榮

(海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院， 山東煙臺(tái)， 264001)

某型直升機(jī)2018、2019年連續(xù)發(fā)生了兩起在著陸接地后因特殊情況異常離地、加速快轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的飛行事故。有關(guān)視頻資料表明，國(guó)外也多次發(fā)生此類(lèi)事故，且狀態(tài)變化具有共性。由于直升機(jī)的著陸偏差等特殊情況難以完全避免；加之，直升機(jī)在艦上、水面上空、野外起降時(shí)，因擾動(dòng)氣流等因素導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)不穩(wěn)，也可能出現(xiàn)異常離地，因而對(duì)此類(lèi)事故的防范應(yīng)引起足夠重視。直升機(jī)異常離地后容易出現(xiàn)加速快轉(zhuǎn)、難以制止的原因及預(yù)防措施，是飛行員非常關(guān)心的問(wèn)題。經(jīng)查閱，部分直升機(jī)飛行理論教材[1-4]、有關(guān)機(jī)型的技術(shù)資料對(duì)這些問(wèn)題未加介紹、分析，飛行員認(rèn)識(shí)不清。對(duì)此應(yīng)引起關(guān)注，采取措施加以應(yīng)對(duì)。鑒于一旦直升機(jī)低空出現(xiàn)持續(xù)快速偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象后風(fēng)險(xiǎn)極高，本文結(jié)合有關(guān)事例就這些問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算與分析。

1 某型直升機(jī)兩起典型事故介紹

1.1 事故過(guò)程

事故1：2018年11月13日，某型直升機(jī)在著陸接地后飛行員關(guān)斷自動(dòng)駕駛儀，直升機(jī)滑行過(guò)程中狀態(tài)不穩(wěn)，飛行員增加總距離地。直升機(jī)離地后加速向右偏轉(zhuǎn)，最后帶坡度墜地。

事故2：2019年03月17日，某型直升機(jī)正常著陸后向停機(jī)坪滑行，因在左轉(zhuǎn)彎對(duì)正停機(jī)位置的過(guò)程中前輪未擺正，飛行員修正前輪位置時(shí)上提總距桿過(guò)量，直升機(jī)離地并右偏；離地后帶左坡度加速右偏約一圈半后(此過(guò)程中直升機(jī)離地面最高3.3 m)觸地，并繼續(xù)向右偏轉(zhuǎn)約180°后墜地。

1.2 事故直升機(jī)的狀態(tài)特點(diǎn)

上述事故中直升機(jī)狀態(tài)變化的共性特點(diǎn)是：異常離地后加速右轉(zhuǎn)、難以改出。以事故2為例，飛參數(shù)據(jù)表明，該機(jī)地面滑行中總距從10°開(kāi)始增加到15°，直升機(jī)離地的后的3 s內(nèi)，平均偏轉(zhuǎn)角速度為16(°)/s，隨后的4 s內(nèi)，平均偏轉(zhuǎn)角速度迅速增加至55(°)/s。

2 事故中直升機(jī)的狀態(tài)特點(diǎn)分析

飛參數(shù)據(jù)表明，兩起事故中直升機(jī)異常離地、出現(xiàn)右偏轉(zhuǎn)后，偏轉(zhuǎn)角速度均持續(xù)增大。考慮到事故當(dāng)日直升機(jī)在空中一切正常，而某型直升機(jī)旋翼為左旋(俯視)，出現(xiàn)難以制止的向右快速偏轉(zhuǎn)，可初步判明在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中尾槳進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)。為分析其具體特點(diǎn)，下面首先計(jì)算兩種不同條件下尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度。

2.1 尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度計(jì)算

單旋翼直升機(jī)在懸停回轉(zhuǎn)和側(cè)飛等情況下，尾槳可能會(huì)進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)[5]。由于尾槳渦環(huán)和旋翼渦環(huán)的機(jī)理和成因相同，可根據(jù)旋翼渦環(huán)邊界的高-辛判據(jù)確定尾槳渦環(huán)邊界[6]。就上述事故看，進(jìn)入尾槳渦環(huán)是直升機(jī)在垂直上升中偏轉(zhuǎn)引起，因而以下確定某機(jī)在垂直飛行狀態(tài)下，尾槳渦環(huán)對(duì)應(yīng)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度[5]：

旋翼軸扭矩：

(1)

尾槳拉力：

(2)

尾槳拉力系數(shù)：

“中華傳統(tǒng)文明歷來(lái)注重以民為本，尊重人的尊嚴(yán)和價(jià)值?！保?］自管仲之后，許多思想家、政治家都提出了“民本或人本”思想，如“民惟邦本，本固邦寧”（《尚書(shū)·五子之歌》）、“天地之間，莫貴于人”（《孫臏兵法·月戰(zhàn)》）、“民為貴，社稷次之，君為輕”（《孟子·盡心章句下》）、“國(guó)以民為本”（《史記·酈食其列傳》）以及“民可以載舟，亦可以覆舟”（唐太宗李世民《民可畏論》）等等。這充分表明“我們今天強(qiáng)調(diào)的以人為本，繼承了中國(guó)古代的民本思想”，［5］是植根于中華文明的思想精華。相應(yīng)的，從上述語(yǔ)句中，我們看不出對(duì)社會(huì)、對(duì)國(guó)家以及作為國(guó)家代表的“君”、“王”的重視，而明顯地是將其置于次要地位。

(3)

尾槳的誘導(dǎo)速度：

(4)

尾槳渦環(huán)的臨界誘導(dǎo)速度：

vwjlj=0.28vwj

(5)

尾槳渦環(huán)的臨界旋轉(zhuǎn)角速度：

(6)

式(1)中，發(fā)動(dòng)機(jī)軸功率P根據(jù)旋翼扭矩的百分比計(jì)算，旋翼扭矩來(lái)自于該機(jī)訓(xùn)練中的飛參數(shù)據(jù)。對(duì)某型直升機(jī)，旋翼轉(zhuǎn)速nR=210 r/min，尾槳轉(zhuǎn)速Ωwj=988.95 r/min。下標(biāo)wj代表尾槳，wjlj代表尾槳臨界值。半徑Rwj=4 m，尾槳軸到重心的距離L=5.1 m。

為便于通過(guò)對(duì)比分析事故原因，取兩種情況加以計(jì)算：直升機(jī)著陸接地后低總距、尾槳小拉力狀態(tài)，空中懸停高總距、尾槳大拉力狀態(tài)。

某型直升機(jī)不同條件下尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度ωlj計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 某型直升機(jī)尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度

可見(jiàn)，空中懸停狀態(tài)尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度為31.5(°)/s，地面滑行狀態(tài)僅為16.9(°)/s。即某型直升機(jī)異常離地過(guò)程中容易進(jìn)入尾槳渦環(huán)。

2.2 事故直升機(jī)的狀態(tài)特點(diǎn)分析

如上述，事故直升機(jī)離地后的狀態(tài)變化特點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：直升機(jī)加速快轉(zhuǎn)、飛行員反向蹬舵難以改出。其原因包括兩個(gè)方面：

首先，直升機(jī)異常離地往往由狀態(tài)不穩(wěn)等特殊情況導(dǎo)致，飛行員因缺乏足夠的心理準(zhǔn)備而情緒緊張，上提總距桿易多、易快；且難以像正常情況下協(xié)調(diào)一致地蹬舵制偏、甚至來(lái)不及蹬舵，容易導(dǎo)致直升機(jī)離地后較快偏轉(zhuǎn)。而如上所述，在地面尾槳處于小拉力狀態(tài)，尾槳渦環(huán)對(duì)應(yīng)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度較小，直升機(jī)一旦較快偏轉(zhuǎn)，尾槳很快就會(huì)進(jìn)入渦環(huán)狀態(tài)，使尾槳拉力進(jìn)一步減小，偏轉(zhuǎn)進(jìn)一步加快。其次，在直升機(jī)離地過(guò)程中飛行員增加總距后，發(fā)動(dòng)機(jī)分配給尾槳的功率也相應(yīng)增加；如果此時(shí)飛行員反向蹬舵制止偏轉(zhuǎn)，也會(huì)使尾槳的功率增大。即直升機(jī)異常離地后隨偏轉(zhuǎn)角速度增大，尾槳的功率與誘導(dǎo)速度也增大，尾槳?jiǎng)t會(huì)持續(xù)處于尾槳渦環(huán)狀態(tài)且強(qiáng)度不斷增大，因而向反方向蹬舵難以制止直升機(jī)快速偏轉(zhuǎn)。

2.3 異常離地狀態(tài)下的尾槳渦環(huán)特性

上述分析表明，直升機(jī)異常離地狀態(tài)下的尾槳渦環(huán)易進(jìn)、難改，渦環(huán)特性顯著變差，具體表現(xiàn)：一是由于在地面尾槳處于小拉力狀態(tài)，尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度較空中懸停狀態(tài)時(shí)降低近一半，即更容易進(jìn)入尾槳渦環(huán)狀態(tài)。二是異常離地進(jìn)入尾槳渦環(huán)后如果飛行員蹬舵制止偏轉(zhuǎn)，會(huì)使尾槳功率與尾槳渦環(huán)的臨界偏轉(zhuǎn)角速度增大，同時(shí)直升機(jī)偏轉(zhuǎn)角速度也迅速增大，導(dǎo)致尾槳持續(xù)處于渦環(huán)狀態(tài)且強(qiáng)度不斷增大，即蹬舵難以制止直升機(jī)快速偏轉(zhuǎn)。由于單旋翼直升機(jī)的尾槳渦環(huán)機(jī)理相同，此結(jié)論對(duì)其他類(lèi)似機(jī)型也適用。

直升機(jī)的尾槳渦環(huán)狀態(tài)與旋翼渦環(huán)狀態(tài)的產(chǎn)生條件不同，但形成機(jī)理與物理本質(zhì)相同，都是在特定飛行條件下尾槳、旋翼處于周期性地“形成-破裂-形成-破裂”的不穩(wěn)定環(huán)狀氣泡中，尾槳、旋翼周?chē)臍饬鞣浅Ｎ蓙y，氣動(dòng)效率顯著下降，飛行狀態(tài)急劇變化，飛行員難以控制，對(duì)飛行安全影響極大，一直都是直升機(jī)理論和飛行領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。

需要說(shuō)明的是，在已看到的國(guó)內(nèi)外的直升機(jī)理論教材[1-4，7-8]、直升機(jī)(尾槳)渦環(huán)研究文獻(xiàn)[9-12]中，尾槳渦環(huán)狀態(tài)的產(chǎn)生條件都僅限于空中懸停轉(zhuǎn)彎、大側(cè)風(fēng)條件下懸停或小速度飛行、側(cè)飛等大功率狀態(tài)；至于異常離地狀態(tài)下的尾槳渦環(huán)問(wèn)題，未曾見(jiàn)到，飛行員對(duì)此問(wèn)題了解、重視不夠，因而應(yīng)采取有效措施加以應(yīng)對(duì)。

3 預(yù)防某型直升機(jī)異常離地事故的操控措施

由于某型直升機(jī)異常離地狀態(tài)下尾槳渦環(huán)特性顯著變差，表現(xiàn)為易進(jìn)難改、加速快轉(zhuǎn)，加之此時(shí)高度低、處置余地小，風(fēng)險(xiǎn)很高，因而保證飛行安全的關(guān)鍵是預(yù)防，而飛行員又是預(yù)防的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

根據(jù)此類(lèi)事故形成的事故鏈：接地后狀態(tài)偏差或不穩(wěn)→異常離地→桿舵操縱不協(xié)調(diào)、直升機(jī)加速快轉(zhuǎn)進(jìn)入尾槳渦環(huán)狀態(tài)→失控墜地，以下從操控的角度提出三方面預(yù)防措施。

1)由于著陸接地后狀態(tài)不穩(wěn)是導(dǎo)致異常離地的一個(gè)重要誘因，因而應(yīng)注重完善著陸操縱程序，盡量避免著陸接地后狀態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。如著陸接地前出現(xiàn)搖晃、振動(dòng)等情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)控制、視情復(fù)飛；再如，垂直著陸接地后，應(yīng)確保在直升機(jī)無(wú)前后位移、且總距較低的情況下再斷開(kāi)自動(dòng)駕駛儀，這一點(diǎn)對(duì)避免接地后狀態(tài)不穩(wěn)非常重要。

2)接地后狀態(tài)急劇變化時(shí)盡量避免異常離地。因?yàn)?，直升機(jī)在垂直離地前后受力很復(fù)雜，正常起飛時(shí)為保證直升機(jī)穩(wěn)定地垂直離地，特別是為預(yù)防離地過(guò)程中快速偏轉(zhuǎn)，對(duì)總距和腳蹬操縱協(xié)調(diào)動(dòng)作有很高要求，具體規(guī)定是：上提總距桿應(yīng)柔和，并視情調(diào)整上提總距桿的速度，根據(jù)總距位置和機(jī)頭變化趨勢(shì)決定蹬舵時(shí)機(jī)和量；接近離地，上提總距桿特別柔和，注意判斷離地時(shí)機(jī)。其中，根據(jù)飛行經(jīng)驗(yàn)，離地時(shí)機(jī)的判斷依據(jù)是直升機(jī)飄飄欲起，有離地趨勢(shì)；機(jī)頭有偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；直升機(jī)抬頭、傾斜?？梢?jiàn)，正常情況下直升機(jī)垂直離地過(guò)程中的操縱屬于精確操縱。而緊急情況下異常離地，往往沒(méi)有充分地思想準(zhǔn)備，加之情緒緊張，很難做到協(xié)調(diào)操縱。因此，應(yīng)盡量避免異常離地，特別要盡可能避免在特殊平臺(tái)、復(fù)雜地形、擾動(dòng)氣流條件下著陸時(shí)異常離地。因?yàn)?，此時(shí)異常離地，不僅容易導(dǎo)致直升機(jī)加速快轉(zhuǎn)，而且離地過(guò)程中如果出現(xiàn)大坡度與大的旋翼拉力力矩，加劇機(jī)體傾斜，容易導(dǎo)致直升機(jī)翻倒[13]。

3)由于飛行員桿舵操縱不協(xié)調(diào)，是異常離地進(jìn)入尾槳渦環(huán)的直接原因。因此，在地面修正狀態(tài)偏差時(shí)，重點(diǎn)是柔和上提總距桿，關(guān)鍵是總距與腳蹬協(xié)調(diào)操縱。需強(qiáng)調(diào)的是，由于直升機(jī)的總距桿、駕駛桿、腳蹬之間的協(xié)調(diào)操縱復(fù)雜、難度大，且操縱靈敏度高，垂直飛行和小速度飛行時(shí)穩(wěn)定性弱，因而對(duì)操縱動(dòng)作的協(xié)調(diào)性、柔和性要求很高。作為一名直升機(jī)飛行員，既要注重培樹(shù)“柔和、協(xié)調(diào)”的操縱品質(zhì)，更要立足于自駕故障或未接通、“聯(lián)動(dòng)操縱”效能下降等復(fù)雜情況，強(qiáng)化“柔和、協(xié)調(diào)操縱是直升機(jī)操穩(wěn)特性的根本要求，也是特殊情況下避免飛行狀態(tài)劇變的關(guān)鍵”的理念，將“柔和、協(xié)調(diào)”的良好操縱品質(zhì)固化為“本能”性習(xí)慣、升華為科學(xué)素養(yǎng)。

4 結(jié)論與建議

1)如前述，有效預(yù)防、避免異常離地是避免此類(lèi)事故、保證安全的關(guān)鍵。為此，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充、完善某型機(jī)的教材和技術(shù)資料，加強(qiáng)教育、提高認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)防范意識(shí)，注重飛行前準(zhǔn)備，提高應(yīng)急處置能力。

2)加強(qiáng)檢查、維護(hù)，保證“聯(lián)動(dòng)操縱”機(jī)構(gòu)正常發(fā)揮作用。某型機(jī)采用了總距-縱向、總距-橫向和總距-方向的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，明顯減輕了飛行員協(xié)調(diào)操縱的負(fù)擔(dān)。但由于機(jī)械裝置難免存在安裝誤差、空行程、損傷等情況，可能使“聯(lián)動(dòng)操縱”的作用顯著下降，進(jìn)而對(duì)此類(lèi)特情產(chǎn)生不利影響。因而應(yīng)加強(qiáng)檢查、維護(hù)，保證“聯(lián)動(dòng)操縱”正常發(fā)揮作用。

3)完善設(shè)計(jì)，增加直升機(jī)的總距桿操縱限制功能。由于總距桿同時(shí)控制著旋翼的總距、轉(zhuǎn)速、拉力及發(fā)動(dòng)機(jī)功率，決定著飛行性能、旋翼氣動(dòng)特性和飛行狀態(tài)；且總距桿與腳蹬、駕駛桿的操縱均有關(guān)聯(lián)，因而更強(qiáng)調(diào)柔和操縱。實(shí)踐證明，在緊急情況、邊界狀態(tài)下飛行員操縱總距桿容易過(guò)粗，除異常離地外，還可能誘發(fā)旋翼失速、旋翼渦環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)超扭等險(xiǎn)情[14-15]，對(duì)飛行安全影響極大。因此，可借鑒先進(jìn)固定翼戰(zhàn)機(jī)飛控系統(tǒng)的極限狀態(tài)限制(如通過(guò)控制率進(jìn)行軟限制或通過(guò)增加桿力進(jìn)行硬限制等)功能，完善設(shè)計(jì)，對(duì)操縱總距桿的速度進(jìn)行限制，最大限度地實(shí)現(xiàn)“無(wú)憂慮”操縱。這對(duì)發(fā)揮直升機(jī)性能、保證安全有普遍意義。