直升機(jī)應(yīng)急漂浮靜穩(wěn)定性計(jì)算分析

關(guān)鍵詞：應(yīng)急漂浮;完整穩(wěn)性;破艙穩(wěn)性

中圖法分類號：V275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

直升機(jī)作為具有穩(wěn)定懸停能力的旋翼飛行器，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中近海的快速運(yùn)輸、海上搜救和消防直升機(jī)懸停取水等，都需要直升機(jī)在水上飛行。雖然直升機(jī)發(fā)生故障的概率隨著設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步大大減少，但飛行架次與時(shí)間的增多，整體發(fā)生事故的架次數(shù)不會(huì)減少。當(dāng)直升機(jī)在水面上飛行發(fā)生故障需要迫降時(shí)，就需要直升機(jī)的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)發(fā)揮作用，使直升機(jī)具有足夠的漂浮穩(wěn)定性，留給機(jī)組人員足夠的逃生時(shí)間。

直升機(jī)的漂浮穩(wěn)定性分析多采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，汪正中、馬玉杰[1]建立了直升機(jī)的橫向穩(wěn)性計(jì)算方法，并完成了某型直升機(jī)的漂浮特性試驗(yàn);陳彬、殷士輝[2]以三維勢流理論為依據(jù)，建立了直升機(jī)的漂浮穩(wěn)定性計(jì)算方法，對漂浮姿態(tài)、橫向穩(wěn)定性、耐波性以及抗風(fēng)浪等級進(jìn)行評估，并將計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比;江婷[3]等以模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了規(guī)則波條件和自由漂浮狀態(tài)下直升機(jī)的漂浮特性。

本文通過水動(dòng)力常用軟件MOSES對樣例直升機(jī)及兩種應(yīng)急漂浮設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，分析其靜水力條件下，不同風(fēng)速下的完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性。

2方案設(shè)計(jì)與模型建立

直升機(jī)上部各構(gòu)件不提供浮力，為方便計(jì)算，對直升機(jī)模型進(jìn)行了簡化處理，即去掉上部旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、尾槳，建立響應(yīng)迎風(fēng)面，只保留機(jī)身與浮筒，忽略機(jī)身外部小設(shè)備，假定機(jī)體密封性良好，浮筒受到擠壓不發(fā)生變形，完成的機(jī)身計(jì)算模型如圖1所示。

對于應(yīng)急漂浮系統(tǒng)，通常采用充氣浮筒提供額外浮力，本文設(shè)定單一大浮筒和分散多浮筒兩種應(yīng)急漂浮方案。浮筒設(shè)置方案一的單一大浮筒，在機(jī)體兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)長為2.5m、半徑為0.35m的圓柱形浮筒，計(jì)算漂浮狀態(tài)時(shí)，浮筒為充滿氣打開狀態(tài)，簡化后的模型如圖2所示。

方案二為分散多浮筒，機(jī)體兩側(cè)布置有一前一后長為1.2m、半徑為0.35m的兩個(gè)浮筒，簡化后的模型如圖3所示。

3完整穩(wěn)性分析

本文是對直升機(jī)進(jìn)行靜穩(wěn)定性分析，因此假設(shè)直升機(jī)處于靜水條件下[4]，直升機(jī)在靜水力的作用下，水線面為一水平面，僅有風(fēng)力作為外部作用力，依據(jù)船體計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，橫傾方向，傾覆的可能性最高，故本文只考慮橫傾。在靜水穩(wěn)定性計(jì)算中，最重要的結(jié)果是初穩(wěn)性高。參考船舶原理[5]初穩(wěn)性高即直升機(jī)型心至重心的距離，初穩(wěn)性高越大，則結(jié)構(gòu)物的靜水穩(wěn)定性越好，反之，結(jié)構(gòu)物在靜水中的穩(wěn)定性就較差。漂浮物傾斜穩(wěn)性計(jì)算如圖4所示。

對三組模型進(jìn)行橫傾的穩(wěn)性計(jì)算，由于初穩(wěn)性高為直升機(jī)型心至重心的距離，與受到的外力無關(guān)，故同一模型在各個(gè)風(fēng)速條件下的初穩(wěn)性高結(jié)果相同，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

參考海上平臺的審定要求[6]，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.15m。表1中初穩(wěn)性高均大于0.15m，說明在三組狀態(tài)下，機(jī)體均能保證在靜水漂浮下的完整穩(wěn)定性，能抵抗一定的傾覆力矩。應(yīng)急漂浮系統(tǒng)方案一與方案二都能提高機(jī)體的靜穩(wěn)定性，方案一更有優(yōu)勢。

為了更進(jìn)一步反映的靜水漂浮穩(wěn)定性，通常采用靜穩(wěn)性曲線來表示，靜穩(wěn)性曲線橫坐標(biāo)為橫傾角，縱坐標(biāo)為力矩，參考船舶漂浮穩(wěn)性理論，當(dāng)直升機(jī)漂浮于水面時(shí)，恢復(fù)力臂曲線大于傾覆力臂曲線時(shí)，直升機(jī)能抵抗傾覆，具有可靠的漂浮靜穩(wěn)定性（圖5）。

無風(fēng)環(huán)境下，由計(jì)算得到的初穩(wěn)性高可知樣例直升機(jī)具有足夠的完整穩(wěn)性，但當(dāng)風(fēng)傾力矩大于機(jī)體自身的復(fù)原力矩時(shí)，機(jī)體會(huì)發(fā)生傾覆，對運(yùn)輸人員造成無法挽回的傷害。因此，對三組模型在10～70kn風(fēng)速影響下的復(fù)原力矩曲線與風(fēng)傾力矩曲線進(jìn)行計(jì)算，得到各狀態(tài)各風(fēng)速條件下的靜水力曲線如圖6所示。

受篇幅所限，不羅列各狀態(tài)的靜水力曲線圖。參考海洋平臺的穩(wěn)性要求，橫搖角從零至第2交點(diǎn)或進(jìn)水角處的復(fù)原力矩曲線下的面積中的較小者，至少應(yīng)比至同一限定角處風(fēng)傾力矩曲線下面積大40%，計(jì)算各狀態(tài)的面積比，結(jié)果見表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，光機(jī)身在風(fēng)速大于60kn時(shí)，面積比小于1.4，不能提供足夠的對抗傾覆的能力，方案一與方案二的應(yīng)急漂浮設(shè)計(jì)明顯提高直升機(jī)對抗傾覆的能力;隨風(fēng)速的增加，直升機(jī)的抗傾覆能力逐漸下降;方案一具有更高的靜水力穩(wěn)定性。

4破倉穩(wěn)性分析

由于直升機(jī)不是用于水面漂浮的載體，僅在發(fā)生意外時(shí)提供有限的漂浮能力，故機(jī)體沒有像船舶一樣具有良好的水密性，需要考慮機(jī)體進(jìn)水的穩(wěn)定性。假定艙室進(jìn)水，將機(jī)體簡單劃分為乘員艙與燃油艙，艙室外形如圖7所示。

與完整穩(wěn)性的計(jì)算相似，計(jì)算艙室破損后的靜水力曲線如圖8所示。

當(dāng)機(jī)艙進(jìn)水下沉后、受風(fēng)力聯(lián)合影響后，破損水線應(yīng)低于可能導(dǎo)致發(fā)生繼續(xù)進(jìn)水的任何開口的下緣，才能繼續(xù)提供足夠的靜水力穩(wěn)性，即發(fā)生進(jìn)水的橫搖角與平衡狀態(tài)的差值大于零，計(jì)算三組狀態(tài)得到的差值結(jié)果如表3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，燃油艙進(jìn)水時(shí)對機(jī)體的靜水力穩(wěn)性基本無影響（表4）;乘員艙進(jìn)水時(shí)，光機(jī)身的進(jìn)水角與平衡角差值小于零，不能提供足夠穩(wěn)性，直升機(jī)有傾覆沉沒危險(xiǎn);兩種應(yīng)急漂浮方案都能提高機(jī)體的漂浮靜穩(wěn)定性，方案一給出的漂浮穩(wěn)性效果更好。

5結(jié)語

利用直升機(jī)執(zhí)行水面上的人員運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，需要配備應(yīng)急漂浮系統(tǒng)。本文對樣例直升機(jī)的靜水力完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證兩種應(yīng)急漂浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案均具有可行性，其中方案一的單一大浮筒對機(jī)體的漂浮穩(wěn)定性有更好的提升，但實(shí)際安裝時(shí)還需考慮尺寸與結(jié)構(gòu)要求，選擇合適的應(yīng)急漂浮系統(tǒng)方案。

作者簡介：

張寶瑜（1994—），碩士，助理工程師，研究方向：直升機(jī)飛行品質(zhì)。