直升機斜坡著陸試飛研究

程衛真

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

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直升機斜坡著陸試飛研究

程衛真

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

摘要:對直升機斜坡著陸試飛進行了探索和研究。首先進行了某型直升機斜坡著陸理論建模,分析和計算結果表明,直升機能夠滿足試飛要求;然后根據所設計的試飛方案進行了試飛驗證。試飛結果表明,直升機具備足夠的操縱安全余量是斜坡著陸成功的保證;所獲取的逆坡著陸、順坡著陸、左/右橫坡著陸不同的駕駛技術和操縱策略,為編寫飛行手冊提供了可靠的依據。

關鍵詞:斜坡著陸; 飛行試驗; 直升機

0引言

直升機斜坡著陸在規范中有明文規定[1-3],它是操縱桿量、姿態、飛行品質/載荷、槳葉運動及飛行性能,在斜坡環境下與著陸駕駛技術的多變量、高難度的綜合。斜坡著陸是一種較惡劣的使用狀態,直升機的周期桿操縱余量、操縱品質/載荷、旋翼槳葉運動等都有可能接近極限,這增加了發生事故的可能性。有資料顯示,米-24型直升機在阿富汗戰爭中因斜坡著陸失敗造成損傷;直-5型直升機進行斜坡著陸訓練時,發生了“機毀人傷”的二等事故。可以說,直升機斜坡著陸是風險極大的試飛科目。

某型直升機研制總要求中,對斜坡著陸能力提出了明確要求。針對考核要求,本文構建了某型直升機斜坡著陸理論計算模型,試飛驗證表明提出的方法合理可行,具有工程實用性;采用試驗步長設計的試飛方法以及斜坡著陸風險管控技術,提高了試飛質量,保證了試飛安全;由國內試飛員獲取的駕駛技術和操縱策略,為編寫飛行手冊提供了可靠依據[4],具有推廣應用價值。

1理論建模及分析

1.1模型的建立

斜坡著陸理論計算采用工程簡化模型,在懸停平衡模型的基礎上,關注斜坡著陸中旋翼建模的主要影響因素:操縱桿量、姿態、槳盤載荷、槳葉運動參數等。斜坡著陸建模如圖1所示。

在飛行動力學模型中,分析對斜坡著陸有重要影響的操縱量和旋翼槳盤載荷模型,并利用以往試飛數據修正理論模型。

1.1.1旋翼槳盤模型

建立適用于斜坡著陸的旋翼槳盤模型,如圖2所示。考慮以下因素:翼型氣動力模型中,考慮前行槳葉的壓縮性和后行槳葉的失速特性以及反流區;旋翼誘導速度模型中,考慮旋翼尾跡的畸變及其引起的離軸響應;槳葉動力學模型中,考慮槳葉的彈性變形以及揮舞運動的耦合。

圖2　旋翼槳盤模型Fig.2　Rotor disk model

槳葉揮舞運動方程做常系數近似,其狀態空間形式的二階微分方程如下:

(1)

式中:下標“M”表示旋翼;a0,a1,b1為揮舞系數;θ0,θt,A1C,B1C為操縱量;p,q為角速度;λ為旋翼入流;D,K,P,Q,R,G為狀態空間系數矩陣。

1.1.2機身及下洗流模型

旋翼對機身的下洗效應主要影響當地動壓和迎角(或側滑角)。機體坐標系中機體的質心運動方程如式(2)所示。

(2)

式中:Msum為全機質量;u,v,w為機體速度;r為角速度;θ,φ為機身姿態角。

姿態角與角速度的幾何關系如式(3)所示。

(3)

機體繞質心轉動的動力學方程如式(4)所示。

(4)

1.1.3起落架模型

起落架簡化為帶阻尼的振動運動系統,引入如下假設:剛性輪胎;忽略輪胎和減振支柱的質量;起落架建模為彈簧和阻尼器組合而成的系統。運動方程如下:

(5)

式中:k為起落架剛度系數;c為阻尼系數;x為運動變量;F為受力。

起落架的運動角速度和阻尼為:

(6)

(7)

1.2理論分析

斜坡著陸時,直升機機身與斜坡平行,方向一致,旋翼拉力豎直向上,槳盤平面保持水平。由于旋翼軸存在前傾角,順坡著陸時的槳盤后倒特別嚴重(8°時計算旋翼縱向揮舞角達到12°),此時旋翼軸彎矩很大(8°時計算旋翼軸彎矩達到9 807 N·m),從而影響順坡著陸。分析表明,旋翼操縱和姿態角、橫向和縱向揮舞角隨著坡度角的增加而增大;旋翼軸彎矩隨著坡度角的增加而增大。

根據該型直升機斜坡著陸包線,計算了逆坡、順坡、左橫坡、右橫坡等斜坡角度狀態。計算結果表明,斜坡著陸縱向和橫向周期變距均滿足斜坡著陸使用要求,且均有10%以上的余量。

2試飛方案設計

2.1試飛方法設計

斜坡著陸試飛時,采用試驗步長設計的試飛方法保證試飛安全。先小坡度試飛再大坡度試飛,如果直升機操縱困難或受桿行程限制無法完成動作,立即改出。

以直升機的縱軸垂直于坡降線和以直升機的縱軸平行于坡降線分別實施斜坡著陸。著陸時機頭指向上坡和下坡方向,以及斜坡上方位于直升機左側和右側的情況均要進行。所有的斜坡著陸都要依照下面的程序進行:斜坡上方的著陸裝置一旦接地,應使直升機短時間內保持水平姿態,然后輕緩地將斜坡下方的著陸裝置降落到地面;在起飛前,先升起斜坡下方的著陸裝置,在斜坡上方的著陸裝置仍然接地的情況下,應使直升機短時間內保持水平姿態,然后起飛;著陸接地前,前輪剎車,尾輪鎖定。動作完成時,應完全放下總距,穩定20 s。

2.2風險評估

逆坡著陸的風險主要是再次起飛階段,直升機有可能向后滑動;順坡著陸的風險主要是著陸階段,直升機有可能向前下滑,并且需要注意觀察槳葉與機身尾梁的間隔距離;左、右側橫坡著陸的風險主要是著陸階段,直升機有可能翻轉。風險的應對措施在駕駛技術與操縱策略中詳述。

3試飛結果及分析

根據試飛大綱要求,給某型試驗機加裝了操縱位移、姿態角等傳感器以及機載測試設備,完成了所有的斜坡著陸試飛科目。斜坡著陸試飛操縱與姿態曲線如圖3～圖6所示。

圖3　逆坡著陸操縱與姿態曲線Fig.3　The operation and attitude curves ofthe up slope landing

圖4　順坡著陸操縱與姿態曲線Fig.4　The operation and attitude curves ofthe down slope landing

圖5　左橫坡著陸操縱與姿態曲線Fig.5　The operation and attitude curves ofthe left slope landing

圖6　右橫坡著陸操縱與姿態曲線Fig.6　The operation and attitude curves ofthe right slope landing

圖中,Wx,Wy,Wz分別為橫向、縱向和航向操縱位移;WF為總距操縱位移。分析給出斜坡著陸所使用的極限操縱量。從數據分析可知,在完成斜坡著陸的試飛科目中,縱向周期變距還有5%的操縱余量,橫向周期變距還有10%的操縱余量。有足夠的操縱安全余量是斜坡著陸成功的重要保證,這一點與斜坡著陸理論分析相吻合。

4駕駛技術與操縱策略

4.1逆坡著陸

著陸前,直升機以一定的抬頭角懸停,使主輪先觸地而尾輪離地。著陸過程中,旋翼槳盤載荷會接近限制并且極限燈閃爍,需要采用特殊的操縱動作,總距保持在大約70%的位置,通過后移周期桿將尾輪放下直到觸地。著陸后,總距完全放下但周期桿不能處于中立位置,此時需使用機輪剎車。起飛需要采用特殊技術,周期桿首先前移直到極限燈閃爍,然后后移直到極限燈熄滅同時增加總距,此時會有直升機向后滑動的感覺。在達到大約70%總距時,

再向前移動周期桿同時直升機繞著主輪旋轉,直到進入懸停姿態。

4.2順坡著陸

著陸前,直升機以一定的抬頭角懸停,使尾輪先觸地而主輪離地。總距慢放,周期桿后移。當主輪未觸地時,極限燈開始閃爍,旋翼槳盤載荷達到限制,將周期桿保持在極限位置并且放下總距桿,使直升機下降著陸。此時尾輪有滾動趨勢,在放總距中需使用機輪剎車。著陸后,總距完全放下。起飛需要采用特殊技術,在主輪離地前使用剎車,保持周期桿同時提升總距,在達到大約70%總距時,后移周期桿同時直升機繞尾輪旋轉,直到進入懸停姿態。

4.3左側橫坡著陸

著陸前,直升機以一定的抬頭角懸停,首先使左主輪觸地,然后尾輪觸地而右主輪離地。總距慢放,周期桿左移,此時旋翼槳盤載荷低。著陸后,總距完全放下而周期桿不能處于中立位置。起飛使用標準技術完成,周期桿側移同時提升總距,達到大約70%總距時,再側移周期桿同時直升機繞左主輪旋轉,直到進入懸停姿態。

4.4右側橫坡著陸

著陸前,直升機以一定的抬頭角懸停。使右主輪和尾輪幾乎同時觸地而左輪離地。總距慢放,周期桿右移,此時旋翼槳盤載荷低。在放下總距時,會有直升機翻轉的感覺。著陸后,總距完全放下而周期桿不能處于中立位置。起飛使用標準技術完成,周期桿側移同時提升總距,在達到大約70%總距時,再側移周期桿同時直升機繞右主輪旋轉,直到進入懸停姿態。

5結束語

本文從工程實際出發,所構建的直升機斜坡著陸理論計算模型合理可行。在試飛方案設計的基礎上,首次自主完成了直升機斜坡著陸試飛。結果表明,直升機具備足夠的操縱安全余量是斜坡著陸成功的保證。試飛獲取的駕駛技術和操縱策略為編寫飛行手冊提供了可靠依據,是軍民用直升機開展斜坡著陸訓練的有力保證,具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]王新科,秦超敏.軍用旋翼飛行器駕駛品質要求[M]. 西安:中國飛行試驗研究院,2001:27.

[2]Hoefinger M,Blanken C L,Strecker L.Evaluation of ADS-33E cargo helicopter requirements using a CH-53G [R].USA:The American Helicopter Society 62nd Annual Forum,2006.

[3]Hoefinger M,Blanken C L.Flight testing the ADS-33E cargo helicopter handling qualities requirements using a CH-53G[J].Journal of the American Helicopter Society,2013,58(1):1-11.

[4]程衛真.直升機斜坡著陸試飛技術總結報告[R].西安:中國飛行試驗研究院,2012.

(編輯：任亞超)

Flight test research of helicopter slope landing

CHENG Wei-zhen

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

Abstract:Flight tests of helicopter slope landing is explored and researched in this article. First, modeling and analysis of helicopter slope landing theories show that the flight test requirements are reasonable, and then the flight test programs for helicopter slope landing is designed. As verified by flight tests, the sufficient operating safety margin is essential to successful helicopter slope landing, and obtain the different driving technique and operation strategy of the up slope landing,the down slope landing,the left/right slope landing, which is used to provide the credible evidence for writing the flight manual.

Key words:slope landing; flight test; helicopter

中圖分類號：V212.4; V217.33

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0853(2016)02-0078-03

作者簡介:程衛真(1973-)，男，陜西大荔人，高級工程師，碩士，研究方向為直升機試飛。

收稿日期:2015-06-30;

修訂日期:2016-01-07; 網絡出版時間:2016-02-18 08:37