基于科里奧利效應的S-76直升機振動故障分析

■ 周佰正/交通運輸部北海第一救助飛行隊

0 引言

當前，在國家政策扶持的大背景下，通用航空產業蓬勃發展，直升機數量不斷增加。與固定翼航空器相比，直升機具有更多的旋轉部件，從而帶來了更多的振動問題。其中主旋翼、尾槳等重要旋轉部件的振動問題如不及時處理，輕則影響飛行員操縱，重則對部件造成嚴重損傷，乃至機毀人亡。因此，機務人員遇到此類故障時，必須引起足夠重視。

1 故障現象

S-76直升機為4片主旋翼構型。某次飛行結束后，飛行員反映在懸停飛行階段直升機主旋翼1P振動過大。目視檢查了所有可接近的旋轉部件，無損傷發現。對直升機進行振動測試，結果顯示主旋翼1P振動值為0.25IPS（Inch Per Second），高于手冊門限值0.2IPS，需進行振動調節。

依據振動測試結果，計算機給出了如表1所示的調節方案。該方案要求紅色槳葉增加2.8磅的配重，超過了槳葉所能安裝的最大配重量。機務人員嘗試在紅色槳葉上增加1磅配重，主旋翼振動值不降反升，證明直升機存在其他故障，常規的振動調節無法解決該問題。

表1 測試設備給出的配重調節建議

2 科里奧利效應

在旋轉體系中進行直線運動的質點因慣性作用，具有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但由于體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之后，體系中質點的位置有所變化，如果以旋轉體系的視角去觀察原有運動趨勢的方向，會觀察到沿垂直方向發生了一定程度的偏離，這種偏離即為科里奧利效應。計算公式如下：

其中，F為科里奧利力；m為質點的質量；V′為相對于轉動參考系質點的運動速度（矢量）；ω為旋轉體系的角速度（矢量）。

3 地面及懸停階段的旋翼狀態分析

如圖1虛線所示，直升機地面運轉階段旋翼只產生很少的升力，此時旋翼重心m與主旋翼軸之間的距離為r。懸停時，旋翼需要增大升力，如圖1實線所示。在升力的反作用力作用下，旋翼向上揮舞，導致旋翼重心m向主旋翼軸靠近，距離減小為r′。依據科里奧利效應，此時產生了垂直于主旋翼翼展方向的科里奧利力F，導致旋翼出現側向擺動，如圖2實線所示。對于主旋翼數量在2片以上的直升機，這種擺動通常依靠圖2中的減擺器加以抑制，避免旋翼擺動幅度過大而對直升機的氣動性能及飛行安全造成影響。

圖1 地面及懸停狀態的旋翼側視圖

4 減擺器對主旋翼振動影響分析

圖3為S-76直升機減擺器結構圖。該減擺器為液壓阻尼式設計，當活塞桿受到拉伸或壓縮時，一側腔內的液壓油通過活塞上的小孔高速流入另一側腔內，通過液壓油小孔摩擦產生的阻尼來抑制旋翼擺動。

此類減擺器故障一般有兩種類型：

1）減擺器活塞出現內漏或有氣體存在，減擺器“偏軟”，出現欠阻尼。

2）因阻尼孔被堵塞，減擺器“偏硬”，出現過阻尼。

直升機進入懸停階段，需要減擺器抑制旋翼擺動。圖4所示為發生前述減擺器故障時旋翼的姿態情況，圖中虛線為減擺器工作正常時旋翼相對于槳轂的位置。此時，旋翼重心相對轉動中心的距離為r。當減擺器處于欠阻尼狀態時，旋翼重心向轉動中心靠攏，該距離變為r1；反之，過阻尼則遠離，距離為r2。由圖4可知，顯然r2＞r＞r1。

當4片旋翼中只有一片旋翼的減擺器發生故障時，旋翼重心無論靠近或遠離轉動中心，4片旋翼的合重心位置都不再與主軸的旋轉中心位置重合，從而產生主旋翼振動。

5 排故過程

在上述故障的排除過程中，當常規振動調節無法起作用時，機務人員也曾懷疑減擺器出現問題。依據S-76機身維護手冊，關車狀態下，旋翼剎車鎖定后人工擺動旋翼，通過檢查翼尖是否存在超過0.5英寸空行程即可判斷減擺器是否有進氣導致的欠阻尼問題。然而，人工施加載荷與飛行載荷差距過大，導致該檢測方法過于粗糙，難以判斷減擺器是否正常。為排除因進氣導致的減擺器欠阻尼故障，對四個減擺器都進行了排氣，但故障現象依舊。

振動測試過程中出現兩個現象：地面大車階段，旋翼1P振動并不明顯；隨著直升機懸停高度的提升，振動逐漸增大。

根據前面的分析，地面運轉時，旋翼不產生擺動，故減擺器對于旋翼重心影響很小。當直升機由地面向懸停狀態過渡過程中，科里奧利效應出現。此時，1P振動也同時出現，因此判斷該振動可能與科里奧利效應有關，而減擺器作為克服科里奧利效應的關鍵部件，成為首先懷疑的對象。

接下來的問題是判斷4個減擺器中哪個出現問題。根據前文的分析可知：

1）當減擺器處于欠阻尼狀態時，r1＜r，對應旋翼重心靠近旋轉中心，在測試設備上表現為該槳葉重量不足，振動測試結果為需增加配重。

2）當減擺器處于過阻尼狀態時，r2＞r，對應旋翼重心遠離旋轉中心，在測試設備上表現為該槳葉重量過大，振動測試結果為需在對側槳葉增加配重。

圖3 S-76直升機減擺器結構圖

圖4 減擺器故障時的主旋翼俯視圖

回看表1中的數據，發現紅色槳葉需要增加的配重最大，為2.8磅，因而可能的原因有兩種：

1）紅色減擺器欠阻尼。

2）與紅色相對的黃色減擺器過阻尼。

之后，同時更換黃色和紅色減擺器，故障消失，證明振動的源頭的確是減擺器。進一步分析認為，減擺器長期工作后，出現內漏導致欠阻尼的可能大于內部堵塞導致過阻尼的可能，因此換回黃色減擺器，直升機1P振動值保持正常。最終的判定是紅色減擺器活塞封圈破損內漏，導致減擺器欠阻尼。

6 結論

綜上所述，對于直升機振動問題，通過分析故障現象、發生時機，并利用直升機飛行過程中的科里奧利效應及日常維護經驗，可以較好地分析解決由減擺器引發的直升機振動問題，從而為此類故障的排除提供了一種新的解決思路。