（海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266041）

海航某部曾發(fā)生過(guò)一起直升機(jī)旋翼槳葉撞擊尾梁的事故，致使直升機(jī)尾減速器被打掉，尾槳傳動(dòng)軸被打斷，旋翼槳葉多片嚴(yán)重?fù)p傷。該機(jī)當(dāng)時(shí)在返場(chǎng)著陸時(shí)，因操縱不當(dāng)，使直升機(jī)下降速度過(guò)大，導(dǎo)致機(jī)輪接地時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊，從而使旋翼槳葉在慣性力作用下向下?lián)]舞，造成旋翼槳葉與尾梁的危險(xiǎn)接近；著陸后，飛行員后拉駕駛桿采用了旋翼剎車，使旋翼錐體后傾。上述兩種原因的共同作用，導(dǎo)致了直升機(jī)旋翼槳葉撞擊尾梁事故的發(fā)生。[1]

本文就直升機(jī)使用過(guò)程中，旋翼槳葉與尾梁危險(xiǎn)接近的成因及預(yù)防進(jìn)行了分析，以期能為直升機(jī)飛行安全提供參考。

1 槳葉尖部與尾梁之間的距離

直升機(jī)旋翼槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在拉力平面內(nèi)具有較大的柔性，因此，當(dāng)槳葉不轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)較慢時(shí)，在受到強(qiáng)突風(fēng)作用后，會(huì)引起槳葉尖部碰撞直升機(jī)尾梁的危險(xiǎn)。所以，在設(shè)計(jì)直升機(jī)時(shí)，規(guī)定了旋翼槳轂（旋轉(zhuǎn)平面）與尾梁之間的最小距離，同時(shí)也有由槳葉本身重量而產(chǎn)生的最大允許靜繞度的限制。當(dāng)旋翼加速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于慣性離心力的作用使槳葉很快甩平，使柔性槳葉的剛度增加，從而繞水平鉸和垂直鉸完成擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。[2]

在正常使用的飛行條件中，槳葉由于受到較強(qiáng)的慣性離心力和空氣阻尼的作用，其揮舞運(yùn)動(dòng)僅在一個(gè)較小的角度范圍（βNmax?βNmin=10° ～15°）內(nèi)。這小于揮舞運(yùn)動(dòng)允許的范圍（?βN=30° ～35°），該范圍是由水平鉸機(jī)械限動(dòng)器的結(jié)構(gòu)限制的。所以，直升機(jī)在飛行中，通常不會(huì)發(fā)生槳葉根部同水平鉸限動(dòng)器相接觸的情況。然而，在某些極端條件下，槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)可能不符合這個(gè)規(guī)律，比如，在較強(qiáng)的外界作用（強(qiáng)突風(fēng)、駕駛員粗猛的操縱動(dòng)作、直升機(jī)急劇傾斜等）下，槳葉根部開(kāi)始與水平鉸限動(dòng)器接觸。假若槳葉是絕對(duì)剛體，限動(dòng)器將阻止槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)。然而，實(shí)際上槳葉具有較大的柔性，因此，槳葉有彈性地繞過(guò)限動(dòng)器，并最終達(dá)到一定的角度位置，就像限動(dòng)器并不存在一樣。所以，在對(duì)旋翼槳葉錐體動(dòng)力學(xué)作近似分析時(shí)，可以不考慮水平鉸限動(dòng)器，在槳葉接觸限動(dòng)器以前，認(rèn)為是絕對(duì)剛硬的，接觸以后是絕對(duì)柔軟的，這種簡(jiǎn)化處理不會(huì)引起槳葉尖部運(yùn)動(dòng)軌跡的顯著變化。由此可見(jiàn)，在上述極端飛行條件下，單旋翼直升機(jī)槳葉尖部可能會(huì)發(fā)生與尾梁的危險(xiǎn)接近、甚至碰撞。

圖1 槳葉與尾梁的距離

由圖1，直升機(jī)槳葉尖部與尾梁之間的距離δ，主要取決于兩個(gè)因素：一是旋翼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)平面與尾梁上部之間的距離A，二是方位角ψN=0處的槳葉揮舞角 β0，即 δ=A+Rβ0，其中，R為槳葉半徑。

槳葉揮舞角βN=a0?a1cosψN?b1sinψN，因此，在ψN=0時(shí)的槳葉揮舞角 β0=a0?a1。其中，錐體平均角 a0和縱向平面內(nèi)旋翼錐體向后的偏轉(zhuǎn)角 a1決定于公式：

式中：γN為槳葉質(zhì)量特性；μ為旋翼工作狀態(tài)特性；為揮舞補(bǔ)償系數(shù)；ω為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；ωx、ωz為相對(duì)機(jī)體縱軸、橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；?э為當(dāng)量旋翼的總距；λ為流過(guò)旋翼的入流系數(shù)；?為自動(dòng)傾斜器縱向偏角。

式中：1D為旋翼錐體軸線偏轉(zhuǎn)角同自動(dòng)傾斜器偏轉(zhuǎn)角間的傳動(dòng)比；

2 旋翼槳葉與尾梁的危險(xiǎn)接近

對(duì)于給定旋翼結(jié)構(gòu)參數(shù)和起始飛行狀態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的具體直升機(jī)，使旋翼槳葉同尾梁危險(xiǎn)接近的主要影響因素有3個(gè)：一是自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)；二是法向過(guò)載減?。ㄐ砜偩嗷蚬ソ菧p?。?；三是操縱直升機(jī)旋轉(zhuǎn)。而旋翼轉(zhuǎn)速的減小和直升機(jī)飛行速度的增加，則是這種情況的促進(jìn)因素。故飛行中存在2種主要的使槳葉接近尾梁的危險(xiǎn)飛行狀態(tài)：[3]

1）滑行狀態(tài)——按飛機(jī)方式降落的結(jié)束階段，此時(shí)“槳距—油門(mén)”桿在低距位置，當(dāng)直升機(jī)前輪接地以后，認(rèn)為ωz≈0，因此，在最小旋翼錐體角時(shí)自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)，是確定槳葉同尾梁接近的決定性因素。[4]

在滑行開(kāi)始階段后拉駕駛桿到限動(dòng)器時(shí)，直升機(jī)運(yùn)動(dòng)速度只有20～30 km/h，旋轉(zhuǎn)槳葉尖部通過(guò)靠近尾梁上部的危險(xiǎn)區(qū)（見(jiàn)圖2），如果在這些條件下，直升機(jī)受到某個(gè)外界擾動(dòng)附加的作用，例如下降突風(fēng)（圖2中的虛線，相應(yīng)風(fēng)速Wy=?5 m/s，滑行速度V=25 km/h）或不平的降落地帶，就可能發(fā)生旋翼槳葉撞擊尾梁。所以，為防止損壞直升機(jī)，在以上幾種狀態(tài)下應(yīng)該采用機(jī)輪剎車。

圖2 米8 旋翼槳葉尖部和尾梁間距離與自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系

2）垂直機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)——進(jìn)入急躍升、由俯沖中改出，同樣需要自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)，并使旋翼槳葉同尾梁靠近，這種情況的分析比較復(fù)雜，因?yàn)橛捎谥鄙龣C(jī)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)、攻角變化，且同時(shí)旋翼總距和轉(zhuǎn)速也在改變。

如果像飛行使用手冊(cè)要求的那樣，由平飛進(jìn)入急躍升并保持“槳距一油門(mén)”桿不變，在任何飛行速度和高度下拉桿時(shí)，槳葉同尾梁不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的接觸。這主要是旋翼阻尼特性的影響，直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抬頭時(shí)，槳尖旋轉(zhuǎn)平面相對(duì)于旋翼軸向相反方向偏轉(zhuǎn)——低頭。換句話說(shuō)，旋翼錐體和尾梁分開(kāi)，像剪刀一樣，向相反的方向分開(kāi)一定的距離，從而減小了自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)時(shí)槳葉同尾梁的接近程度。由此可見(jiàn)，迅速拉桿在飛行中比地面滑行時(shí)要安全，這是由于地面滑行時(shí)沒(méi)有良好的旋翼阻尼作用。

在相同操縱作用下，對(duì)于直升機(jī)由俯沖改出時(shí)，槳葉與尾梁的靠近明顯地增加。這是因?yàn)楦_中旋翼的攻角和直升機(jī)的法向過(guò)載都要小于平飛狀態(tài)，相應(yīng)的旋翼平均錐體角也小，然而，如果在改出俯沖的瞬間，直升機(jī)處于俯仰平衡(ωz≈0)狀態(tài)，槳葉撞擊尾梁的實(shí)際危險(xiǎn)同樣不會(huì)發(fā)生。

機(jī)動(dòng)飛行的最大危險(xiǎn)發(fā)生在下述情況：如果俯沖中直升機(jī)同時(shí)又在轉(zhuǎn)動(dòng)(ωz＜0)，此時(shí)，駕駛員用力操縱駕駛桿以便改出俯沖。例如：駕駛員推桿進(jìn)入俯沖或改出急躍升，隨后，不等直升機(jī)下滑角穩(wěn)定下來(lái)便急劇拉桿。這種情況可能出現(xiàn)在意外復(fù)雜的空中環(huán)境，例如，航線上發(fā)生了礙障（鳥(niǎo)群、低空機(jī)動(dòng)飛行時(shí)的電線和其他）。[5]

在機(jī)動(dòng)飛行的開(kāi)始階段，當(dāng)俯沖中直升機(jī)還在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因旋翼負(fù)攻角和阻尼特性影響的增加——槳葉錐體落后于旋翼軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，向相反方向運(yùn)動(dòng)（即抬頭），出現(xiàn)槳葉同尾梁的靠近。換句話說(shuō)，旋翼錐體和尾梁運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的——如剪刀咬合。此外，機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)速可能下降，導(dǎo)致槳葉同水平鉸接觸時(shí)，槳葉的離心力剛度減少，在這種不利的綜合因素（Hα、zω、ω的減少）時(shí)，如果又出現(xiàn)了槳葉靠近尾梁的決定因素——急劇拉桿，就可能發(fā)生槳葉撞擊尾梁，槳葉同尾梁的接近隨自動(dòng)傾斜器向前偏轉(zhuǎn)的保持時(shí)間τ的增加而增加（見(jiàn)圖3）。

旋翼槳葉同尾梁的危險(xiǎn)接近還可能發(fā)生在下述情況，直升機(jī)在大速度下為了很快減速，駕駛員有力地減小旋翼總距同時(shí)后拉桿，特別是當(dāng)直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行前進(jìn)行這種操縱或者有大氣紊流的作用（見(jiàn)圖4），為了防止旋翼槳葉同尾梁不允許的靠近，在飛行手冊(cè)中有駕駛直升機(jī)的相應(yīng)限制和說(shuō)明。[6]

圖3 米8 槳尖和尾梁間距離與自動(dòng)傾斜器向后偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖4 米8 槳尖和尾梁間距離與自動(dòng)傾斜器偏轉(zhuǎn)角和法向速度過(guò)載的關(guān)系

3 結(jié)論與建議

綜上所述，為了防止直升機(jī)飛行過(guò)程中發(fā)生旋翼槳葉與尾梁的危險(xiǎn)接近及共軸式雙旋翼直升機(jī)槳葉間的碰撞，提出如下幾點(diǎn)建議：

1）直升機(jī)以飛機(jī)方式下滑降落時(shí)，在滑行段應(yīng)采用機(jī)輪剎車，而不能后拉駕駛桿用旋翼剎車，以避免旋翼槳葉與尾梁的危險(xiǎn)接近。

2）機(jī)動(dòng)飛行中，直升機(jī)進(jìn)入急躍升或由俯沖中改出時(shí)，容易產(chǎn)生旋翼槳葉與尾梁的危險(xiǎn)接近，應(yīng)避免過(guò)猛的操縱動(dòng)作。

3）直升機(jī)在大速度下很快減速時(shí)，易出現(xiàn)旋翼槳葉打尾梁的現(xiàn)象，特別是在不穩(wěn)定氣流中飛行時(shí)，所以，飛行中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行飛行使用手冊(cè)中的要求。

[1]普芬蒂R W.直升機(jī)性能及穩(wěn)定性和操縱性[M].高正,施永立,陳文軒,譯.北京:航空工業(yè)出版社,1990.

[2]傅百先.直升機(jī)實(shí)用飛行原理[M].北京:海潮出版社,1992.

[3]胡國(guó)才,孫建國(guó),劉湘一.直升機(jī)艦面動(dòng)力學(xué)分析模型[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(5):481-485.

[4]楊超,于黎明.直升機(jī)駕駛員參與操縱對(duì)人機(jī)系統(tǒng)影響分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(13):82-83.

[5]朱清華,孫強(qiáng).直升機(jī)安全性及生存力技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù),2005(5):3-6.

[6]彭名華,張呈林.直升機(jī)總體參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響研究[J].飛行力學(xué),2009,27(1):70-73.