基于飛行試驗的直升機雙側外掛構型對平飛性能影響研究

李昌明

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

近年來，國內直升機事業(yè)蓬勃發(fā)展，直升機型號越來越多，國內直升機帶外掛武器的型號也發(fā)展迅速，已有直升機配套多種反坦克、反潛（艦）導彈及外掛型號。國內對于直升機外掛特性的各種研究也逐步開展：夏良[1]對直升機武器外掛和發(fā)射對穩(wěn)定性及運動參數(shù)的影響進行了分析，其研究發(fā)現(xiàn)，直升機外掛武器之后，全機的氣動力、氣動力矩重心位置、慣性矩等參數(shù)會發(fā)生變化，橫向參數(shù)變化比縱向更加明顯，發(fā)射武器會使直升機原始平衡狀態(tài)破壞，基本運動參數(shù)會出現(xiàn)周期性的振蕩。汪凱蔚等[2]對直升機的外掛可靠性試驗技術進行了研究。侯雪劍等[3]對直升機的隱身設計進行相關研究。龍海斌等[4]對無人直升機的組合外掛體采用CFD計算方法進行了數(shù)值計算，計算研究了不同的導彈發(fā)射安裝角和機身側滑角以及無掛載狀態(tài)對其氣動特性的影響。龍海斌[5]采用RANS方法對帶外掛武器裝備的輕型無人直升機進行氣動特性計算，結果表明掛梁和掛架對外掛武器裝備氣動特性的影響比較大。龍海斌等[6]針對外掛武器對無人直升機縱向氣動特性影響的問題，采用NS方程計算方法，對加裝武器系統(tǒng)前后，不同前飛速度、武器安裝角和掛載狀態(tài)下的氣動特性進行了數(shù)值計算。結果表明，采用懸臂梁外掛方式加裝武器對阻力有顯著影響，前飛速度和武器發(fā)射安裝角變化對縱向氣動特性幾乎沒有影響。外掛武器安裝位置和數(shù)量變化對無人直升機的縱向氣動特性影響很小。直升機掛載武器一般分為機外單側外掛魚雷或導彈、雙側外掛魚雷或導彈和機內懸掛機槍等幾種方式。其中，機外雙側外掛武器為常見的外掛構型，可掛載的武器有魚雷、深彈、地空彈、空空彈等。李保平[7]把武裝直升機的外掛武器主要分為：反坦克導彈、航空火箭、空空導彈、航空機關炮和機槍等。如果執(zhí)行反潛任務，則可掛載反潛魚雷和深水炸彈。掛載武器后，會對直升機的操縱性、穩(wěn)定性、平衡機動特性、平飛性能、爬升性能等方面產生影響。

文中的雙側外掛構型是指直升機掛載兩枚魚雷的構型，即直升機每側掛載一枚相同重量、形狀、統(tǒng)一掛載方式的魚雷，掛載后，直升機的氣動外型由公式發(fā)生改變，主要影響了直升機的阻力。本文以某型直升機為例，研究了本直升機在某一高度，直升機外掛兩枚魚雷與無外掛構型平飛性能相關參數(shù)，給出了雙側外掛對直升機的需用功率、巡航速度、最大平飛速度、經濟速度、航程、航時等相關直升機飛行性能參數(shù)的影響。

1 應用動量理論的直升機平飛性能分析

水平直線飛行（簡稱平飛）是直升機重要的使用狀態(tài)，平飛性能是直升機的基本性能之一。確定直升機在不同高度上的飛行速度是直升機平飛性能試驗的主要任務。平飛性能試驗需要確定完整的直升機——發(fā)動機組合特性，這個組合特性包括直升機平飛需用功率特性、發(fā)動機可用功率特性和飛行包線等。還應確定直升機氣動構型、飛行重量和重心位置、飛行狀態(tài)、大氣條件和旋翼轉速對平飛性能的影響[8]。

對于直升機的平飛性能試驗，可以應用動量理論[9]分析平飛飛行中影響直升機的因素。圖1顯示了在氣流通過平飛作動量盤時出現(xiàn)的速度變化。

圖1 應用于平飛旋翼的動量盤理論

通過作用在重心上諸力的平衡開始分析：

其中重量W是拉力T的垂向分量，拉力的水平分量形成阻力D，角度γ是槳盤平面垂向方向與直升機拉力的夾角，ρ為空氣密度，S為迎風阻力面積。

應用橢圓機翼相似：

由公式（4）、（5）可得：

當水平速度增加時，誘導速度減小。在中～高速度時，公式（6）可以簡化為：

平飛時的需用功率：

即在中～高前飛速度范圍內，平飛需用功率為誘導功率、型阻功率、廢阻功率之和，如圖2所示。在經濟速度之前，直升機的需用功率以誘導功率為主，型阻功率小于誘導功率，廢阻功率占比最小。當隨速度增大時，型阻功率緩慢增加，廢阻功率急劇增大，誘導功率減小。型阻功率在整個速度范圍內，隨速度的增加緩慢增加，但增加的量值較小。

圖2 直升機需用功率示意圖

當直升機雙側外掛魚雷時，如圖3所示，相比于無外掛構型，直升機的氣動外型改變，迎風阻力面積增大，阻力系數(shù)增大，型阻和廢阻會隨之增加。本文所使用的直升機外掛構型，外掛魚雷的位置在直升機縱向方向上，位于直升機縱向重心之前，掛載魚雷后，直升機的重心位置前移，則平飛時，相比于無外掛構型，會使直升機低頭，俯仰角減小，直升機的拉力與垂向方向的夾角γ增加，使直升機拉力增大。但是，由公式（7）可知，夾角γ增加后，直升機的誘導速度隨之減小，則直升機的誘導功率也會隨之減小。

圖3 直升機雙側外掛示意圖

當直升機前飛速度小于經濟速度的時候，誘導功率在整個需用功率中占比最大，直升機雙側外掛構型時，誘導速度的減小，使誘導功率也相對減小，相比于直升機無外掛構型，整個直升機的需用功率也會減小。

2 飛行試驗與分析

平飛性能試驗的主要試飛方法是穩(wěn)定平飛法，穩(wěn)定平飛法是在規(guī)定高度上進行穩(wěn)定平飛。該方法是在規(guī)定高度，以要求的飛行重量，保持高度不變，以步長10km/h～20km/h的飛行速度進行飛行試驗。在每個飛行狀態(tài)記錄直升機飛行參數(shù)、大氣參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)，其穩(wěn)定記錄時間不應小于1min。

本文以某型直升機為例，對比了直升機無外掛構型和雙側外掛兩枚魚雷構型，在相同重量條件下，在同一飛行高度，相同大氣條件下的飛行速度、需用功率、油耗、俯仰角等相關飛行參數(shù)。直升機在掛裝兩枚魚雷后，掛點位置在直升機重心之前，會使直升機重心前移。在前飛時，相比于無外掛構型，重心前移將使直升機的俯仰角減小。

圖4給出了直升機在同一氣壓高度上外掛兩枚魚雷構型和無外掛構型飛行試驗直升機俯仰角試飛結果。由圖4可以看出，當直升機具有相同的前飛速度時，直升機無外掛構型的俯仰角要大于直升機外掛兩枚魚雷構型的俯仰角。

圖4 兩種外掛構型的俯仰角對比

圖5給出了某型直升機在某氣壓高度上外掛兩枚魚雷構型和無外掛構型飛行試驗平飛需用功率曲線試飛結果。由圖5可以看出：對于經濟速度，即最小需用功率對應的速度，雙側外掛構型的經濟速度小于無外掛構型的經濟速度；對于相同需用功率下的最大平飛速度，外掛兩枚魚雷構型平飛速度小于無外掛構型平飛速度。當小于經濟速度時，無外掛構型的需用功率大于外掛兩枚魚雷構型的需用功率。

圖5 兩種外掛構型的平飛需用功率對比

對于最小需用功率，無外掛構型為48.60，雙側外掛構型為48.46，即直升機具有雙側外掛后，最小需用功率略小于無外掛構型最小需用功率。這是由于直升機的需用功率由誘導功率、型阻功率、廢阻功率三部分組成造成的，在整個速度范圍內，由于雙側外掛直升機的俯仰角減小，造成直升機經濟速度減小，其誘導功率一直小于無外掛直升機誘導功率。但是掛載魚雷后，造成直升機的型阻和廢阻增加，在小速度時，型阻和廢阻的增加值小于誘導功率的減小值，則造成小速度范圍內，雙側外掛直升機需用功率小于無外掛直升機的需用功率。在大速度時，直升機的需用功率以廢阻功率和型阻功率為主，誘導功率占比很小，造成雙側外掛直升機的需用功率大于無外掛構型直升機的需用功率。當直升機的需用功率三個組成部分之和最小時，造成無外掛構型和雙側外掛構型直升機的需用功率基本相同。

由表1可知，當直升機具有相同的可用功率時，無外掛構型的平飛速度大于雙側外掛構型直升機的平飛速度，當直升機在較大速度，具有相同的需用功率時，兩種外掛構型的速度差值變化較小，兩條擬合曲線基本平行。當直升機的速度大于經濟速度時，隨直升機速度的增加，直升機需用功率也增加。雙側外掛構型的直升機需用功率增加速度與無外掛構型直升機需用功率速度相當，但其需用功率在相同速度時一直大于無外掛構型的需用功率。這是由于直升機在較大速度飛行時，廢阻功率增加較大，雙側外掛構型的直升機廢阻大于無外掛構型直升機的廢阻所致。在整個可用功率范圍內，無外掛構型的最大平飛速度要大于雙側外掛構型的最大平飛速度。

表1 直升機平飛速度對比

圖6給出了直升機在同一氣壓高度上的雙側外掛構型和無外掛構型飛行試驗平飛小時油耗曲線試飛結果。由此可以看出，小時油耗曲線與需用功率曲線基本趨勢一致。即：對于經濟速度，外掛兩枚魚雷構型的經濟速度小于無外掛構型的經濟速度，趨勢跟圖5一致；對于相同小時油耗下的最大平飛速度，外掛兩枚魚雷構型平飛速度小于無外掛構型平飛速度。當小于經濟速度時，無外掛構型的小時油耗大于外掛兩枚魚雷構型的小時油耗。對于最小小時耗油量，雙側外掛構型規(guī)格化數(shù)值為651.99，無外掛構型為652.22，雙側外掛構型小時耗油量略小于無外掛構型的小時耗油量。

圖6 兩種外掛構型的平飛小時油耗對比

由表2可知，當直升機具有相同的可用燃油時，無外掛構型的續(xù)航時間與雙側外掛直升機的續(xù)航時間基本相同，這是由于雙側外掛直升機最小小時油耗與無外掛構型直升機的油耗基本相同。可見，在直升機具有雙側外掛，直升機外掛兩枚魚雷時，直升機的最小小時油耗不一定會增大，但最小小時油耗對應的經濟速度一定會發(fā)生變化。

表2 直升機續(xù)航時間對比

圖7給出了直升機在相同飛行重量，同一氣壓高度上的雙側外掛構型和無外掛構型飛行試驗單位功率耗油率曲線試飛對比結果。由圖7可知，單位功率耗油率的最大值在經濟速度處，雙側外掛構型的最大單位功率油耗為0.609，無外掛構型的最大單位功率油耗為0.608，兩者基本相同。當前飛速度大于經濟速度時，雙側外掛構型的單位功率油耗小于無外掛構型單位功率油耗，即直升機具有雙側外掛時，直升機的做功效率大于無外掛構型直升機的做功功率。

圖7 兩種外掛構型的單位功率耗油率對比

圖8給出了直升機在同一氣壓高度上外掛兩枚魚雷構型和無外掛構型飛行試驗平飛公里油耗曲線試飛結果，由圖8可以看出，當小于經濟速度時，無外掛構型的小時油耗大于外掛兩枚魚雷構型的小時油耗；當大于經濟速度時，外掛兩枚魚雷構型的公里油耗大于無外掛構型公里油耗。對于遠航速度，外掛兩枚魚雷構型的遠航速度小于無外掛構型的遠航速度。

圖8 兩種外掛構型的平飛公里油耗對比

表3給出了兩種構型下，直升機不同可用油量的航程對比。當直升機具有相同的可用燃油時，無外掛構型直升機的航程明顯大于雙側外掛直升機的航程。隨直升機可用油量的增加，無外掛構型直升機的航程增加量大于雙側外掛直升機的航程增加量。

表3 直升機續(xù)航程對比

3 結論

直升機掛裝兩枚魚雷后，其構型與直升機無外掛構型相比，因氣動外型的改變，導致直升機機身俯仰角減小，在相同的功率條件下，經濟速度小于無外掛構型直升機經濟速度，遠航速度小于無外掛構型直升機遠航速度，最大平飛速度亦小于無外掛構型最大平飛速度。但是，直升機在掛裝兩枚魚雷后，其最小小時油耗有可能同無外掛構型直升機續(xù)航時間相近，因而不會影響直升機的續(xù)航時間。