極限重心對單旋翼直升機懸停及小速度飛行安全的影響

費景榮，武書閣

(海軍航空兵學院，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

飛行中，燃油消耗、貨物投放、人員移動、武器發射等都會引起直升機重心的變化。與固定翼飛機比，直升機本體的操穩特性較差，在懸停和小速度狀態尤甚。因此，直升機允許的重心變化范圍較窄，尤其在起飛、著陸、特種作業等懸停和小速度狀態，重心處于極限位置極易危及安全。為此，很多機型的手冊、守則對極限重心條件下懸停和小速度飛行的操縱均作出了規定。如米8、直9和“超黃蜂”三種直升機都規定:“懸停中，重心在極限位置時，只能逆風起飛、懸停和著陸，一般不做機動飛行”。直9直升機守則指出:“海上懸停打撈飛行時，出現極限重心飛行是十分危險的，隨機機械師要及時調整重心位置，根據情況發出停止工作信號”。米8也要求:“懸停空投時，注意掌握重心的變化”［1－3］。

但是，上述規定只是原則性的說明，缺乏前、后極限重心的不同影響及相應對策，目前的教材中亦未有此方面介紹，況且，有些規定還需要完善。這些情況都不利于飛行員的正確操縱及飛行員與機械師的協調。鑒于此，本文就單旋翼直升機有關問題進行分析。

1 單旋翼直升機重心前、后限的確定

單旋翼直升機重心前、后限的確定主要受旋翼縱向操縱、槳葉揮舞、縱向穩定性等因素的限制［4］。

1.1 縱向操縱對重心前、后限的要求

根據縱向力矩平衡條件，可作出不同重心位置對應的自動傾斜器傾斜角與飛行速度的關系曲線(如圖1所示)。可見，隨飛行速度增加，向前推桿量加大，自動傾斜器的前傾角也增大。因此，重心不應過分靠后，以免在最大速度飛行時，超出自動傾斜器極限前傾角的限制，即最大速度決定了重心后限。

同時，重心也不應過分靠前，以免在懸停或后退飛行時，超出自動傾斜器極限后傾角的限制，即懸停或后退飛行狀態決定了直升機重心的前限。重心范圍的確定，還必須考慮留有操縱余量，以克服直升機在飛行時可能遇到的縱向擾動。如米8直升機重心為后限和正常中心時，駕駛桿應離開中立位置向前，大小為總行程的1/4，重心為前極限重心時，駕駛桿應離開中立位置向后，大小為總行程的1/2。

圖1 縱向操縱傾斜角與平飛速度關系

重心位置是否適當，不僅會影響自動傾斜器的傾斜角，而且還會影響直升機的平衡和操縱，甚至危及飛行安全。例如，重心過于靠后將會使機頭上仰，在飛行中，特別是在起飛增速時造成操縱困難。重心過于靠前將使機頭下俯，對主油箱位置在槳轂中心線后面的直11直升機來說，隨著燃油消耗其重心將會前移，結果低頭力矩更大。在此情況下著陸，會給操縱帶來困難，不利于保障飛行安全。

1.2 旋翼揮舞對重心前、后限的限制

旋翼產生的俯仰操縱力矩特點與重心的前、后位置及上下位置均有關。旋翼的周期揮舞量a1簡單表示為［4］:

其中，Δy=КlBFC/2y;xG－重心距旋翼軸的縱向位置;y－重心距旋翼槳轂重心的高度;lB－旋翼揮舞鉸外移量;FC－旋翼槳葉離心力。

可見，在自動傾斜器的操縱范圍內，直升機重心垂向位置一定，縱向位置變化范圍愈大，則槳葉周期揮舞量的變化也愈大。顯然，重心靠前時，周期揮舞量a1在0°方位的值較大，在急劇拉桿、陣風、粗猛著陸等情況下，旋翼容易打尾梁。

1.3 迎角靜穩定性對重心前、后限的限制

直升機的縱向重心位置影響迎角靜穩定性。若重心在旋翼軸之前，直升機受抬頭擾動后，由于迎角增大，旋翼氣動合力相應增加了ΔT，從而產生一個繞重心的低頭力矩，可抵消不穩定的擾動抬頭力矩，這對穩定性是有利的。而重心在旋翼軸后面，則對穩定性不利。因此，從縱向穩定性的角度來看，直升機的重心位置不宜太后，一般應使正常重心變化范圍相對于旋翼軸偏前，即重心的前極限大于后極限。

2 極限重心對單旋翼直升機懸停、低速飛行的影響及分析

2.1 極限重心的影響

為便于對比分析，現將極限重心的有關影響列表如下。

表1 極限重心的影響

2.2 對有關規定的分析

顯然，“懸停中，重心在極限位置時，只能逆風起飛、懸停和著陸”這一諸多機型手冊中的普遍提法顯得籠統，需要完善。具體應細化為:

前重心時，由于機頭下俯，拉桿量大，順風懸停、著陸不利于修正狀態和減速，因而只能逆風起飛、懸停和著陸。

后重心時，由于機頭上仰，推桿量大，逆風懸停、著陸不利于修正狀態和增速;同時，迎角靜穩定性較弱，而順風又使迎角靜穩定性進一步減弱，所以，要避免以后重心飛行。

總之，重心過于靠前或過于靠后，直升機修正狀態偏差的能力明顯降低，進行懸停、特種作業時，不僅難以順利完成任務，還會危及安全。同時加減速機動能力也明顯降低，加大了起飛和著陸的風險。在不利的風向條件下，上述特點更為明顯。應盡量避免以極限重心飛行，特別是以重心后限飛行。必須以前重心時，只能逆風起飛、懸停和著陸。

3 克服極限重心不利影響的對策

3.1 了解重心變化的基本規律

確定單旋翼直升機重心前后位置及變化規律有兩種方法。

一是計算法。某時刻直升機重心前后位置XG可用下式表示:

式中，i從1到n，X1、X2……Xn分別為直升機各部分重量(包括空機和機載物)G1、G2……Gn到X基準面的距離。

實際運用中，可根據設備、武器的裝載及投放、發射計劃，通過上式事先計算特定時刻直升機的重心位置，并結合燃油消耗對重心的影響，綜合確定直升機重心前后位置的變化規律。借助簡單的計算程序，這種方法并不復雜。

二是查圖法。即根據技術說明書的重心位置曲線，結合任務及裝載情況，查出相應的重心縱向位置。

3.2 掌握保證安全的基本要求

由于懸停、小速度和特種作業飛行時，直升機操穩特性較差、飛行高度低，且對直升機的位置、方向及高度的要求嚴格;而極限重心位置時駕駛桿的操縱裕量小，保持俯仰狀態和修正偏差的能力弱，所以應盡量避免在極限重心位置和不利風向、風速條件下做懸停和小速度飛行和特種作業飛行。

如果受條件所限，必須在接近極限重心位置時做懸停和小速度飛行，應充分考慮風的影響。此外，特種作業如投放物品、安裝、吊掛、搜救飛行前，應掌握重心變化特點和風向風速情況，制定詳細的預案，加強機組人員的協同，注意操縱動作柔和、協調。

4 結束語

1)直升機極限重心對懸停、小速度飛行，特別對特種作業的安全有重要影響。

2)盡量避免在極限重心位置、不利風向、風速條件下做懸停低速飛行和特種作業飛行。特種作業前，應掌握重心變化特點和風向風速情況，制定詳細預案，加強協同。確保安全。

3)“懸停中，重心在極限位置時，只能逆風起飛、懸停和著陸”的提法顯得籠統，需要完善。

［1］米－8型直升機飛行員駕駛手冊［Z］.中國人民解放軍空軍司令部，1989:98－154.

［2］直九直升機飛行駕駛守則［Z］.中國人民解放軍總參謀部陸航局，1992:P98－139.

［3］SA321/Ja超黃蜂直升機飛行員駕駛守則［Z］.中國人民解放軍海軍航空兵37283部隊，1984.

［4］郭才根，等.直升機總體設計［M］.北京:航空工業出版社，1993.

［5］桑雨生.直升機飛行力學［M］.北京:陸軍航空兵學院，2004.