直升機應(yīng)急漂浮靜穩(wěn)定性計算分析

關(guān)鍵詞：應(yīng)急漂浮;完整穩(wěn)性;破艙穩(wěn)性

中圖法分類號：V275 文獻標識碼：A

1引言

直升機作為具有穩(wěn)定懸停能力的旋翼飛行器，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中近海的快速運輸、海上搜救和消防直升機懸停取水等，都需要直升機在水上飛行。雖然直升機發(fā)生故障的概率隨著設(shè)計制造技術(shù)的進步大大減少，但飛行架次與時間的增多，整體發(fā)生事故的架次數(shù)不會減少。當直升機在水面上飛行發(fā)生故障需要迫降時，就需要直升機的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)發(fā)揮作用，使直升機具有足夠的漂浮穩(wěn)定性，留給機組人員足夠的逃生時間。

直升機的漂浮穩(wěn)定性分析多采用理論與試驗相結(jié)合的方法，汪正中、馬玉杰[1]建立了直升機的橫向穩(wěn)性計算方法，并完成了某型直升機的漂浮特性試驗;陳彬、殷士輝[2]以三維勢流理論為依據(jù)，建立了直升機的漂浮穩(wěn)定性計算方法，對漂浮姿態(tài)、橫向穩(wěn)定性、耐波性以及抗風浪等級進行評估，并將計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比;江婷[3]等以模型試驗為基礎(chǔ)，驗證了規(guī)則波條件和自由漂浮狀態(tài)下直升機的漂浮特性。

本文通過水動力常用軟件MOSES對樣例直升機及兩種應(yīng)急漂浮設(shè)計方案進行計算，分析其靜水力條件下，不同風速下的完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性。

2方案設(shè)計與模型建立

直升機上部各構(gòu)件不提供浮力，為方便計算，對直升機模型進行了簡化處理，即去掉上部旋翼、發(fā)動機、尾槳，建立響應(yīng)迎風面，只保留機身與浮筒，忽略機身外部小設(shè)備，假定機體密封性良好，浮筒受到擠壓不發(fā)生變形，完成的機身計算模型如圖1所示。

對于應(yīng)急漂浮系統(tǒng)，通常采用充氣浮筒提供額外浮力，本文設(shè)定單一大浮筒和分散多浮筒兩種應(yīng)急漂浮方案。浮筒設(shè)置方案一的單一大浮筒，在機體兩側(cè)各設(shè)置一個長為2.5m、半徑為0.35m的圓柱形浮筒，計算漂浮狀態(tài)時，浮筒為充滿氣打開狀態(tài)，簡化后的模型如圖2所示。

方案二為分散多浮筒，機體兩側(cè)布置有一前一后長為1.2m、半徑為0.35m的兩個浮筒，簡化后的模型如圖3所示。

3完整穩(wěn)性分析

本文是對直升機進行靜穩(wěn)定性分析，因此假設(shè)直升機處于靜水條件下[4]，直升機在靜水力的作用下，水線面為一水平面，僅有風力作為外部作用力，依據(jù)船體計算經(jīng)驗，橫傾方向，傾覆的可能性最高，故本文只考慮橫傾。在靜水穩(wěn)定性計算中，最重要的結(jié)果是初穩(wěn)性高。參考船舶原理[5]初穩(wěn)性高即直升機型心至重心的距離，初穩(wěn)性高越大，則結(jié)構(gòu)物的靜水穩(wěn)定性越好，反之，結(jié)構(gòu)物在靜水中的穩(wěn)定性就較差。漂浮物傾斜穩(wěn)性計算如圖4所示。

對三組模型進行橫傾的穩(wěn)性計算，由于初穩(wěn)性高為直升機型心至重心的距離，與受到的外力無關(guān)，故同一模型在各個風速條件下的初穩(wěn)性高結(jié)果相同，計算結(jié)果如表1所示。

參考海上平臺的審定要求[6]，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15m。表1中初穩(wěn)性高均大于0.15m，說明在三組狀態(tài)下，機體均能保證在靜水漂浮下的完整穩(wěn)定性，能抵抗一定的傾覆力矩。應(yīng)急漂浮系統(tǒng)方案一與方案二都能提高機體的靜穩(wěn)定性，方案一更有優(yōu)勢。

為了更進一步反映的靜水漂浮穩(wěn)定性，通常采用靜穩(wěn)性曲線來表示，靜穩(wěn)性曲線橫坐標為橫傾角，縱坐標為力矩，參考船舶漂浮穩(wěn)性理論，當直升機漂浮于水面時，恢復(fù)力臂曲線大于傾覆力臂曲線時，直升機能抵抗傾覆，具有可靠的漂浮靜穩(wěn)定性（圖5）。

無風環(huán)境下，由計算得到的初穩(wěn)性高可知樣例直升機具有足夠的完整穩(wěn)性，但當風傾力矩大于機體自身的復(fù)原力矩時，機體會發(fā)生傾覆，對運輸人員造成無法挽回的傷害。因此，對三組模型在10～70kn風速影響下的復(fù)原力矩曲線與風傾力矩曲線進行計算，得到各狀態(tài)各風速條件下的靜水力曲線如圖6所示。

受篇幅所限，不羅列各狀態(tài)的靜水力曲線圖。參考海洋平臺的穩(wěn)性要求，橫搖角從零至第2交點或進水角處的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應(yīng)比至同一限定角處風傾力矩曲線下面積大40%，計算各狀態(tài)的面積比，結(jié)果見表2。

由計算結(jié)果可知，光機身在風速大于60kn時，面積比小于1.4，不能提供足夠的對抗傾覆的能力，方案一與方案二的應(yīng)急漂浮設(shè)計明顯提高直升機對抗傾覆的能力;隨風速的增加，直升機的抗傾覆能力逐漸下降;方案一具有更高的靜水力穩(wěn)定性。

4破倉穩(wěn)性分析

由于直升機不是用于水面漂浮的載體，僅在發(fā)生意外時提供有限的漂浮能力，故機體沒有像船舶一樣具有良好的水密性，需要考慮機體進水的穩(wěn)定性。假定艙室進水，將機體簡單劃分為乘員艙與燃油艙，艙室外形如圖7所示。

與完整穩(wěn)性的計算相似，計算艙室破損后的靜水力曲線如圖8所示。

當機艙進水下沉后、受風力聯(lián)合影響后，破損水線應(yīng)低于可能導(dǎo)致發(fā)生繼續(xù)進水的任何開口的下緣，才能繼續(xù)提供足夠的靜水力穩(wěn)性，即發(fā)生進水的橫搖角與平衡狀態(tài)的差值大于零，計算三組狀態(tài)得到的差值結(jié)果如表3所示。

由計算結(jié)果可知，燃油艙進水時對機體的靜水力穩(wěn)性基本無影響（表4）;乘員艙進水時，光機身的進水角與平衡角差值小于零，不能提供足夠穩(wěn)性，直升機有傾覆沉沒危險;兩種應(yīng)急漂浮方案都能提高機體的漂浮靜穩(wěn)定性，方案一給出的漂浮穩(wěn)性效果更好。

5結(jié)語

利用直升機執(zhí)行水面上的人員運輸任務(wù)時，需要配備應(yīng)急漂浮系統(tǒng)。本文對樣例直升機的靜水力完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性進行計算，驗證兩種應(yīng)急漂浮系統(tǒng)設(shè)計方案均具有可行性，其中方案一的單一大浮筒對機體的漂浮穩(wěn)定性有更好的提升，但實際安裝時還需考慮尺寸與結(jié)構(gòu)要求，選擇合適的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)方案。

作者簡介：

張寶瑜（1994—），碩士，助理工程師，研究方向：直升機飛行品質(zhì)。