“黑鹰”直升机回避区下边界分析和模拟器验证-于琦(6)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文“黑鹰”直升机回避区下边界分析和模拟器验证于琦（中国飞行试验研究院，西安，710089）摘要：本文以“黑鹰”直升机作为样例，对近地面悬停和低速飞行时发动机故障后的旋翼拉力与下降率的变化和直升机的姿态响应情况进行了分析。设计了直升机回避区下边界模拟器试验方法，开展了试验，根据模拟器的实际条件设定了边界条件，给出了模拟器试验结果。关键词：直升机回避区；模拟器；“黑鹰”引言回避区是由离地高度和空速组成的一块封闭区域，在此区域范围内直升机动力系统一旦发生部分或全部故障后，飞行员无法保证直升机安全着陆。直升机回避区一般可分为低速回避区和高速低空回避区两部分，

2、受现代直升机较大旋翼载荷设计特征影响，高速低空回避区范围很小。主要关注的内容是对直升机低速、中低空飞行范围限制明显的低速回避区。低速回避区下边界是由直升机在近地面悬停和低速飞行时，遭遇发动机失效，直升机直接着陆过程中起落架能够承受的最大载荷以及最大允许的安全接地姿态决定的。回避区下边界的试验过程中，飞行员对直升机可控时间从一秒到十余秒，因此操纵输入要求也有较大的变化。开展回避区边界的验证试飞具有较高的难度和风险。使用通过使用工程模拟器，帮助飞行员了解直升机悬停和低速飞行时发动机失效的响应特征，掌握安全接地技巧，是获取数据、减小试验风险的有效途径。本文以“黑鹰”直升机为样例，描述了使用工程

3、模拟器开展的下边界试验方法和步骤，给出了试验结果和并对部分关键影响因素进行分析。1发动机故障响应1.1旋翼转速、拉力响应对下降率的影响直升机回避区下边界飞行状态属于典型的悬停和低速飞行，且在发动机故障后飞行员可用干预时间短。且受旋翼转速下降影响，操纵功效小，因此可用较为简单的无干预的动力故障响应来获得相对保守的结果，并给予飞行员配平操纵的指导。在保持总距位置不变时，旋翼转速衰减速率受旋翼扭矩和转动惯性矩影响，可表达为：(1)假定在发动机失效后飞行员无总距干预，扭矩系数对于固定的桨叶安装角是常数，其旋翼转速的平方与扭矩成正比关系，即和转速与升力系数之间关系，可以计算出旋翼转速衰减至某一最小

4、安全转速的时间：30(2)其中CLmax是最小安全旋翼转速Ωmin相应于旋翼可达到的最大升力系数，CL0是动力故障时Ω0的旋翼转速的平均升力系数。[1]使用上式，代入“黑鹰”直升机旋翼转动惯量、升力系数等参数，可计算出以某中等飞行重量（W＝9185kg）在地效内悬停时，发生发动机失效后旋翼转速由100％衰减至其安全转速89％需用的时间约为1.76s，考虑飞行员正常反应时间约0.8～1.1s，可能在此时间内做出放距的反应，因此此计算结果比较保守。旋翼拉力与旋翼转速的平方成正比，可以获得在此时间内拉力将衰减至初始状态的72.25％。不考虑动力系统故障后旋翼拉力矢量偏转，可使用下式获得下降率计

5、算结果：(3)考虑接地前若有足够的时间进行拉平和瞬时增距，进一步将旋翼旋转动能转换为拉力以减小下降率，以35％的旋翼能量转换率为假设，可建立直升机接地瞬间的速度修正：(4)其中ΔΩava指瞬时增距前旋翼转速，本例中计算推导略。试算几个W＝9185kg回避区下边界的试验点（W＝9185kg），结果见表1。表1“黑鹰”样例直升机下边界试验点状态计算初始高度（m）351015下落时间(s)2.83.14.45.3可用纵向速度（m/s）024.57无干预接地速度(m/s)7.59.7114.1216.47有干预接地速度(m/s)3.753.824.755.171.2动力失效对姿态的影响旋翼转动作

6、用在机身上产生反向偏航扭矩，偏航力矩的依靠尾桨拉力平衡。对于“黑鹰”直升机（旋翼右旋）设计而言，悬停状态下发动机部分或全部失效，旋翼反扭矩瞬时减小甚至消失，尾桨拉力短时间内依然保持，会产生较强烈的左偏航。随时间推移，偏航角速度将增大到一个准稳态值。可以从悬停试验获得的旋翼扭矩获得“黑鹰”直升机的尾桨拉力水平分量：（5）其中：lt——尾桨相对重心水平距离——尾桨安装偏角QR——旋翼轴扭矩。对于一个给定重量的悬停，当发动机突然失效，可以获得的偏航角加速度：30（6）其中：Izz——机身绕z轴的转动惯量——绕z轴角加速度由于垂直安定面方向稳定性的影响，随着速度的提升航向稳定性会所改善，但在回避

7、区下边界范围内，速度并不大，对偏航的影响也很有限。在悬停时机身对突然丧失功率最主要的响应是偏航（机头偏转）响应。仅当旋翼拉力轴线与直升机身重心在法向未对齐时，由于旋翼转速减小导致拉力下降会产生一些滚转响应。“黑鹰”直升机会产生轻微的左滚转。但因旋翼和尾桨转速成比例减小，尾桨拉力产生的滚转力矩变化比较柔和。其次，“黑鹰”直升机尾桨采用拉力尾桨，并向上倾斜20°，在产生左偏航的同时，在悬停时能够产生2.5％的升力，和一定的下俯力矩。但俯