直升機水下逃生艙設計與仿真

趙天啟

摘?要：隨著經濟的發展，科學的進步，無論是在軍事領域，還是民用領域，我國對于直升機的使用都在增加，而直升機事故也因此不斷上升，所以直升機飛行員的水下逃生訓練就成為了直升機飛行員培訓科目中必不可少的項目。為解決我國在該領域落后的現狀，救撈實驗室自行設計了一臺直升機水下逃生訓練模擬器。而本課題主要使用物理學知識分析模擬器翻轉狀態，得到模擬器加速度與翻轉角度關系后，運用龍格庫塔法在matlab中編寫程序得到模擬艙翻轉過程中弧度與時間的圖像，并模擬多種不同配重加載的情況，得到結果之后將各種情況付諸于實踐。再根據實驗結果，對比實驗結果與仿真計算的差別，分析原因，給出改進意見，使模擬器能更早的用于訓練。

關鍵詞：直升機水下逃生;模擬器;仿真計算;水下翻轉

1?直升機水下逃生模擬器結構設計

由于實驗室直升機水下逃生訓練模擬器的訓練對象為救助直升機機組人員，且救助直升機屬于中大型直升機，機組人員至少4人，所以實驗室模擬器主體設計采用長條形逃生模擬器設計方案。

（1）外部整體結構設計。模擬器整體外形為長條形，艙長約4.4m，高約1.4m，艙頭艙尾前后對稱分布，門在模擬器右側后部，窗戶在模擬器左側，且門窗都采取敞開式，便于訓練時人員逃生。整個模擬器內部空間約1.1m3，逃生窗口約0.2m2。墻板高1.4m，長2.55m，半徑0.9m，門規格108cm×50cm，窗口規格44cm×54cm。船艙材料采用玻璃鋼，密度2000kg/m3。

圖1

（2）中部軌道設計。中部導軌位置在整個模擬器中部，整個軌道內圓半徑0.9m，外圓半徑1.02m，支撐模擬器，承受載荷。材料為AISI類型316L不銹鋼，密度為8027kg/m3。中部軌道的上安裝有模擬器制動機構，實現模擬器翻轉的開始與停止。

（3）浮箱與座椅。艙頭艙尾部分的座椅支承為全封閉結構浮箱單個排水體積為0.04m3，數量為4，模擬器箱體中部2個單獨座椅支承為底部敞開結構，不是浮箱，而模擬器箱體部分首尾段座椅支承為可充水浮箱結構，且單個浮箱排水體積約為0.2m3，座椅規格29.5cm×39cm×39.5cm。作為浮箱的座椅支承，其主要作用在于為模擬器提供浮力，既增大模擬器翻轉時的翻轉力矩，也減少模擬器上方吊臂與鋼纜的載荷。

（4）透水底板。透水底板長約2.5m，寬約0.75m。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3。其主要作用為訓練時模擬器入水時加快進水速度、回收時加快排水速度，提高訓練與實驗效率。

（5）艙頭艙尾。艙頭艙尾前后對稱分布，內部空間約1.1m3，逃生窗口約0.2m2。艙頭艙尾上下及前部設有透水孔，加大訓練時單位時間進水量、回收時單位時間排水量。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3。艙頭艙尾中可安裝座椅，使得模擬器整體形狀與結構與現實直升機艙更加符合的同時，增加一次性訓練的人數。

（6）門側墻板。門側墻板高1.4m，長2.55m，半徑0.9m，門規格108cm×50cm。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3，門側座位上人員逃生出口為門。

（7）窗側墻板。窗戶墻板高度1.4m，半徑0.9m，長度2.55m，窗口規格44cm×54cm。材料為玻璃鋼，密度為2000kg/m3，窗側人員逃生出口為窗口。由于門側墻板與窗側墻板的質量不同，使得模擬器在未發生翻轉時模擬器重心偏向門側墻板，讓模擬器有初始的翻轉力矩，才能實現模擬器在水的中翻轉[5]。

（8）連接圓盤。連接圓盤前后各有一個，起到連接艙頭艙尾與中部箱體的作用。連接圓盤，半徑0.9m，高度1.4m，門規格95cm×50cm。材料為AISI類型316L不銹鋼。密度為8027kg/m3。

（9）可充水浮箱性質。浮箱示意圖如圖2所示，該浮箱內部結構如圖3所示，左右兩側為相同結構。其中S1=0.135122m3，S2=0.127074m3，S3=0.109200m3，而浮箱整體寬度為0.4m，壁厚為10cm，則計算可得，整個浮箱體積為0.15m3。而左右兩側的分體浮箱的體積為0.06m3，注滿水之后質量應該在60公斤左右。該浮箱設計意義在于，在需要時可向其中注水，以調整模擬器的重心位置，以達到改變模擬器的翻轉狀態的效果，使得模擬器翻轉狀態的調整成為可能。

2?仿真計算

有了模擬器的各項參數后，首先對模擬器進行仿真計算，得到在不同情況下模擬器的翻轉情況，在實驗之前確定幾種切實可行的配重加載方案，使得實驗有明確的方向，節約實驗成本與時間。

2.1?模擬器方向定義

原點：模擬器中部軌道中心。

前：模擬器沒有門的一側為模擬器前部。

后：模擬器門所在的半部分，為模擬器后部。

左：模擬器窗戶所在一側為左側。

右：模擬器門所在一側為右側。

2.2?模擬器參數

此次情況為未加任何載荷的情況，如下表所示：

2.3?坐標系建立與浮心重心測量

設艙室中部軌道幾何中心為坐標原點，X軸指向艙門一側，Y軸指向艙頂部，Z軸指向艙前端。根據solid?works軟件質量屬性功能計算得重心坐標G（0.34，-35.10，45.18）（mm），坐標單位為毫米，如圖4所示：

浮心坐標計算，如圖5所示：

（1）浮箱本身關于旋轉軸Z軸對稱，故X=0;

（2）兩個浮箱關于X軸對稱，故合成后Z=0。

故只需計算Y軸坐標即可，將浮箱由立體轉化為平面坐標系下進行研究，如圖5所示，將浮箱形狀進行分割成規則形狀，利用船舶靜力學[8]，推導出以下公式：

yB=2S1y1+2S2y2+S3y32S1+2S2+S3

式中，yB──浮心的Y軸坐標;

y1──S1面積型心的Y軸坐標;

y2──S2面積型心的Y軸坐標;

y3──S3面積型心的Y軸坐標。

繼而得出浮箱形心位置B（0，-495，0）（mm），即模擬器浮力心位置。

3?實驗分析

仿真計算完成后，需要進行實驗對仿真計算結果進行驗證，根據仿真結果，重點進行在中部加載配重，前左后右，前右后左三種配重加載形式，而后根據老師要求，也進行了配重全部加載至左側和右側的實驗。

實驗情況。該種配重加載情形，首由于實驗室模擬器中間座椅支承未封閉，不能進行加水配重，同時實驗室座椅與座椅支承為玻璃鋼難以加載固定的實體配重，因此難以實施，所以并未在實物上實驗該種方案。因此主要介紹其余四種配重加載方式。

（1）前左后右加載方式。實驗結果：前左后右加載方式，此時模擬器翻轉時間在5—6s，較之前有了較大改觀。模擬艙在采取該加載方式翻轉較為流暢，翻轉平穩，與模擬情況相近，基本滿足實驗室翻轉要求。但是該種加載條件在翻回時，會出現卡頓狀況，導致翻回產生障礙。原因分析如下：①翻轉時間相較仿真計算時更長，首先是因為仿真計算時并未考慮水阻力，以及剎車與中部圓環軌道的摩擦力，因此翻轉時間比計算時更長，且翻回時模擬器受到阻礙。②仿真計算時只將整個模擬器看作圓柱體，而由于實際情況中，模擬器的艙頭與艙尾，與模擬器艙室是由連接圓盤進行連接，當模擬器在水中旋轉時，會在其接口部分產生渦旋，阻礙模擬器翻轉與翻回。③實驗室剎車采用雙作用氣缸制動系統作為制動機構的動力裝置，兩個氣缸之間如果出現反應時間不同，則可能造成剎車與軌道產生一定角度，這樣就會使得摩擦力加大，甚至卡死，如此一來就會使得模擬器難以翻回。④當模擬器翻轉完成后，如果不及時剎車停住模擬器，模擬器會在水阻力與摩擦力的共同作用逐漸趨于平衡，由之前3.4分析可知，模擬器的平衡位置是在模擬器翻轉后底部向上的某一位置，所以當模擬器翻轉完成后，如果不及時剎車，極其容易造成模擬器難以翻回的情況。⑤后經檢查發現后右側的浮箱存在漏水的情況。因此在實驗過程可能當浮箱翻轉過程中，與浮箱翻轉完成后，浮箱可能會將其中的一部分水漏出，這樣就會改變原先的配重，對翻轉實驗產生較大的影響。

（2）前右后左加載方式。實驗結果：根據仿真模擬計算的結果來看，該加載方式與前左后右加載翻轉時所形成的效果相近。從實驗結果來看，如果能順利進行翻轉，其轉動時間依然為5—6s，與前左后右的加載方式將近。但該種方式所產生的問題為，模擬器難以順利地進行初始翻轉[12]。原因分析如下。①這種配重加載，首先加大了模擬器的自身重量，使得模擬器自身的轉動慣量大大增加，所以要使得模擬器轉動就需要比原先更大的力矩，所以模擬器初始轉動就產生了障礙。②模擬計算時并未考慮水阻力，所以在此情況下極有可能造成由于水阻力而使得翻轉力矩為0的情況。③由于前右后左的加載方式，是在整個模擬器質量最大的右前側，使得模擬器翻轉時，右前傾較為嚴重，這樣就可能導致滑輪與導軌產生一定的角度，增到滑輪與導軌的摩擦力，甚至當兩者之間的角度較大時可能會出現滑輪與導軌完全卡死的情況。

（3）同右側加載方式。實驗結果：與仿真計算時一樣，由于在未加載任何載荷的初始情況下，右側（即門側）就相較左側（窗側）較重，所以這種配載方式會造成嚴重的右傾斜。在是實驗時，模擬艙在翻轉前就有大約將近20°的右傾，且此時翻轉時間在3—4s。雖然質量加大后轉動慣量加大，使得轉動過程中翻轉更加平穩，但由于側傾嚴重，首先艙內人員的安全會有隱患，其次側傾嚴重時翻轉速度也會變快，再次同樣由于轉動慣量過大的問題，無論翻轉還是翻回，在到達平衡前晃蕩都會較為嚴重，對吊臂與鋼纜造成沖擊。原因分析如下：①此時模擬器的重心在原點右側許多，所以翻轉力矩就會大很多，因此此時翻轉速度就會加快。②由于此時整個模擬器重量增大，其慣性就會增大所以模擬器翻轉時產生的沖擊就會增大，對鋼纜產生的沖擊就會增大。

4?結論

直升機水下逃生訓練模擬器，對于我國救撈事業空中救援的發展有著十分重要的意義。經過仿真計算以及實驗檢測后，發現仿真中對于模擬器的前左后右，前右后左的配重加載方案對于模擬器翻轉情況有較明顯的改觀。但是在改進翻轉問題時，又出現了新的問題，比如初始翻轉與翻回時會出現模擬器卡死的情況，對這些情況，本文也進行了分析，比如由于浮箱漏水導致模擬器在使用過程中重量發生變化，以及制動機構的安裝存在問題等等，針對這些存問題也給出了一些解決意見，希望能給實驗室直升機水下逃生訓練模擬器的改進做出貢獻。

參考文獻：

[1]李全，鄒松泉，周紹華.直升機飛行員水下逃生模擬訓練系統研究[J].醫療衛生裝備，2013（12）：42-44.

[2]吳緒清，王正華.升機乘員水下逃生規范的研究進展[J].海軍醫學志，2001（3）：268-269.

[3]王良譯.水下離機訓練[J].國際航空，1988（9）：51.

[4]王正華.直升機人員水下救生裝備及逃生方案的研究[J].海軍醫學，1997（2）：113-114.

[5]曾青，施軍.適用于惡劣海況條件下的高速自扶正救助艇的實例設計[C].2009年度救撈論文集.北京：海洋出版社，2009：16-20.

[6]富明慧，梁華力.一種改進的精細龍格庫塔法[J].中山大學學報自然科學版，2009（5）：1-5.

[7]裘春航，呂和祥，鍾萬勰.求解非線性動力學方程的分段直接積分法[J].力學學報，2002（3）：369-378.

[8]汪正中，馬玉杰，江婷.直升機水中橫向穩性計算與試驗驗證[J].直升機技術，2012（4）：1-7.

[9]戴經武，唐云瀾，陳實甫.自由液面對大傾角穩性的效應[J].中國造船，1963（50）：15-25.

[10]Barker?CO.US?naval?helicopter?mishaps：cockpit?egress?problems[J].Aviate?Space?Environ?Med，1996（67）：480.

[11]Brower?RA.Survival?system?for?helicopter?aircrews[R].Proceedings?of?34th?safe?annual?symposium?1996（1）：263.

[12]Tipton?MJ.An?examination?of?two?emergency?breathing?aid?for?use?during?helicopter?escape[J].Aviat?Space?Environ?Med，1997（68）：907.