直升機海上懸停救援平臺模擬艙設計

趙守強 趙天翔 李懷元 宋強

摘 要：直升機海上救援模擬平臺中的核心部分就是救生艙，所有的救援行動都要依托救生艙進行。現在我們國家進行直升機救援訓練時主要進行的科目有11個，分別是模擬任務流程培訓、模擬陸地吊運培訓、模擬機組人員溝通培訓、模擬吊運擔架、模擬甲板吊運、模擬浮標吊運、模擬水中吊運以及心理訓練、特殊情況訓練等。因此，設計模擬救生艙時不但要考慮搭載負荷強度，還要滿足這些科目的訓練要求。

關鍵詞：直升機；救援平臺；模擬艙

中圖分類號：V249.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0087-02

Abstract： The core part of the helicopter sea rescue simulation platform is the rescue capsule. All rescue operations must rely on the rescue capsule. At present， there are 11 major subjects in helicopter rescue training in our country. They are simulated task flow training， simulated land lifting training， simulated aircrew communication training， simulated lifting stretcher， simulated deck lifting， simulated buoy lifting， simulated underwater lifting， psychological training， special circumstances training and so on. Therefore， not only the load intensity， but also the training requirements of these subjects should be taken into account in the design of the simulated lifeboat.

Keywords： helicopter； rescue platform； simulation cabin

1 概述

早在1947年，我國就在北海、東海、南海等海域組建了直升機海上救援隊。救援隊全天待命，隨時準備應對突發情況，各自負責本海域的海上搜尋救援工作。可以看出來，在海上交通安全保障的問題上，國家交通部以及有關部委高度重視，并給予了很大的支持力度，在多方面的共同努力下，海上救援的技術、設施、體系、政策都有了很大的進步，越來越完善。經過十多年的發展，我們的海上直升機救助飛行隊更加專業，裝備更新換代及時，救助水平更加高。但盡管如此，對比國外發達國家的技術、體系，我們還有很多不足，還有很長的路要走。當出現惡劣海況，或者是能見度低以及夜間救援的技術還不完善；救助訓練模擬技術不完善；對人員的保障能力不足，還無法完全保證搜救行動的零問題進行。

針對以上所說的情況，為了解決這些問題，為了更好提高海上搜救水平，尤其是惡劣海況下的搜救行動，搭建一個模擬救援訓練平臺就顯得尤為重要。通過充分的理論分析以及結合實際救援狀況，這個模擬訓練平臺需要性能優良、安全系數有保障，尤其是模擬直升機救援艙，要立足模擬訓練，盡量貼合實際來設計。

2 模擬艙結構設計要求

直升機海上救援模擬平臺中的核心部分就是救生艙，所有的救援行動都要依托救生艙進行。在模擬救援過程中，模擬艙內主要有5人：主控1人，相當于直升機上駕駛員，負責操作模擬艙的控制面板，控制天車系統運動，配合絞車手，使模擬艙移動到救援位置；絞車手1人，負責在救生艙門處控制絞車的升降、速度，為主控提供視野，配合吊起遇險人員；救生員；救生員1人，當模擬艙到達指定“海域”，救生員穿好安全衣，通過與絞車連接，懸垂下到指定海域實施救援；救生員教練1人，負責指導整個救援過程，并對主控、救生員、絞車手進行評價；最后是模擬被救人員1～2人。現在我們國家進行直升機救援訓練時主要進行的科目有11個，分別是模擬任務流程培訓、模擬陸地吊運培訓、模擬機組人員溝通培訓、模擬吊運擔架、模擬甲板吊運、模擬浮標吊運、模擬水中吊運以及心理訓練、特殊情況訓練等。因此，設計模擬救生艙時不但要考慮搭載負荷強度，還要滿足這些科目的訓練要求。

2.1 模擬艙設計特點

2.1.1 模擬艙設計特點

雖然設計模擬艙時參考了其他領域模擬器的設計原則，但是海上懸停救援直升機模擬艙需要懸掛在空中快速移動，并且能夠實現隨時停止移動，因此該模擬艙具有自己獨特的特點：

（1）重視剛度設計。在模擬訓練過程中模擬艙所承受的載荷主要是天車系統運動以及艙內人員的進行模擬訓練時所產生的動載荷。因此，為了最大程度的降低模擬艙的動態耦合效應，應該在設計時盡量避免模擬艙的運動頻率與低階模態重合，從而降低模擬艙在救援過程中所承受的載荷，滿足剛度要求。

根據查閱的資料，模擬訓練平臺中的模擬艙結構主要有鐵籠結構跟桁粱結構。在實際的模擬救援過程中，模擬艙由于在運動狀態，因此會出現穩定性不好的問題，而且模擬艙結構直接決定固有頻率，因此，選擇合適的結構對于增強模擬艙穩定性、符合剛度要求就至關重要。（2）模擬艙輕量化設計。六自由度平臺由于其型號及成本限制承載能力，因此在設計吊掛在其下方的模擬艙時必須要考慮模擬艙的結構重量。在符合剛度、安全的前提下，盡量將模擬艙的結構重量降低，便可以提高艙的承載能力，提高天車系統、六自由度平臺的使用壽命。（3）提高模擬艙空間利用率。我們的模擬艙外形是盡量貼合S-76C+救援直升機而設計的，因此外形以及內部空間受到嚴格的限制，為了在使用過程中增強使用舒適度以及承載能力，必須將結構設計緊湊，從而達到提高空間利用率的要求。（4）使用壽命要長。直升機海上救援模擬平臺作為一個重要且造價高昂的實驗平臺，在合理維護的前提下，其使用壽命要盡可能長，從而要在設計時要考慮疲勞壽命問題。

2.1.2 模擬艙設計品質要求

在設計模擬艙的過程中，必須要考慮的幾個因素中風險、成本以及使用性能占有主要地位。因此，在設計過程中我們應該遵循以下原則：（1）技術繼承程度。技術繼承程度是指我們在設計過程中所使用的技術中直接利用現有技術所占的比例。技術繼承程度高，我們的設計工作能直接借鑒、參考的成熟技術就越多，符合國標的零件也越多，能夠起到事半功倍的效果。（2）安全性。模擬艙在使用時懸掛在天車下方，距離地面高度有十幾米，因此，救生艙的安全可靠就更加重要。在設計時，應該充分考慮模擬艙的工作環境，優先采用成熟可靠設計方案。除此之外，我們在設計中，應該盡量降低機艙對動載荷的敏感度，并且盡量減少模擬艙內零件的數量，盡量采用簡單的機艙結構。（3）制造加工。為了最終將模擬艙制造并投入實際教學中，在設計時考慮制造加工的難易程度、可實現性以及成本就很有必要。應該優先采用成熟的設計方法、技術、材料，優先考慮國家標準件的使用。

2.2 直升機飛行數據

直升機海上救援模擬系統中，直升機的飛行姿態對模擬艙的影響不能忽略。于是我查閱了中國交通運輸部北海飛行隊的B-7309海上救助直升機的飛行數據，作為模擬艙設計時的參考，為模擬艙的設計提供了十分可靠的依據。

對實驗數據進行分析，獲得的三向加速信號、飛機的俯仰角以及橫滾角，如表1所示。

分析以上圖表中的數據，我們可以對加速度與轉動角度得出結論：

加速度：加速度峰值在X向與Y向的均低于0.4g，在Z向低于0.5g；整個過程中加速度信號的帶寬大概在4Hz左右。

轉動角度：橫滾角、俯仰角均在2Hz附近有諧振峰出現；橫滾角變化范圍是-8°～10°，俯仰角變化范圍為-6°～14°。

將以上數據濾波為4Hz并進行反解，得到六自由度平臺中各個缸的運動參數，利用ADAMS進行仿真，得到電動缸的運動參數，從而可以在六自由度平臺上模擬出直升機的飛行姿態，為模擬艙設計提供依據。

2.3 模擬艙的設計總體要求

為了盡量貼近實際救援情況進行模擬，模擬艙設計將以S-76C+型救援直升機的中段客艙部分為標準，結合實際情況，首先考慮剛度及安全性要求，其次設計內部的零件布置，最大限度的模仿外形與內部結構，更好的實現其模擬救援的功能性。根據這些原則以及實驗數據，提出模擬艙的總體設計規范：（1）模擬艙的內部尺寸：長2460mm，寬1930mm，高1350mm；（2）模擬艙的自身重量：不超過1800kg；（3）模擬艙的承載能力：不低于1000kg；（4）模擬艙的運動軌跡：能實現到達任意指定位置的水平運動、垂直運動；（5）模擬艙的材料規范：具有良好的剛度與強度，易加工。

3 結束語

本文介紹了直升機模擬艙的總體設計要求，通過參考其他領域模擬器提出設計構想，與實際情況結合，進行理論分析，之后通過綜合查閱的直升機飛行姿態數據提出模擬艙的最終尺寸要求、重量要求、承載能力要求、運動軌跡以及材料要求，為接下來繼續深入設計模擬艙打好基礎。

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