直升机旋翼桨叶打尾梁的成因及预防

2010-03-24

海军航空大学学报 2010年3期

（海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041）

海航某部曾发生过一起直升机旋翼桨叶撞击尾梁的事故，致使直升机尾减速器被打掉，尾桨传动轴被打断，旋翼桨叶多片严重损伤。该机当时在返场着陆时，因操纵不当，使直升机下降速度过大，导致机轮接地时产生严重的撞击，从而使旋翼桨叶在惯性力作用下向下挥舞，造成旋翼桨叶与尾梁的危险接近；着陆后，飞行员后拉驾驶杆采用了旋翼刹车，使旋翼锥体后倾。上述两种原因的共同作用，导致了直升机旋翼桨叶撞击尾梁事故的发生。[1]

本文就直升机使用过程中，旋翼桨叶与尾梁危险接近的成因及预防进行了分析，以期能为直升机飞行安全提供参考。

1 桨叶尖部与尾梁之间的距离

直升机旋翼桨叶的结构特点是在拉力平面内具有较大的柔性，因此，当桨叶不转动或转动较慢时，在受到强突风作用后，会引起桨叶尖部碰撞直升机尾梁的危险。所以，在设计直升机时，规定了旋翼桨毂（旋转平面）与尾梁之间的最小距离，同时也有由桨叶本身重量而产生的最大允许静绕度的限制。当旋翼加速转动过程中，由于惯性离心力的作用使桨叶很快甩平，使柔性桨叶的刚度增加，从而绕水平铰和垂直铰完成摆动运动。[2]

在正常使用的飞行条件中，桨叶由于受到较强的惯性离心力和空气阻尼的作用，其挥舞运动仅在一个较小的角度范围（βNmax−βNmin=10° ～15°）内。这小于挥舞运动允许的范围（∆βN=30° ～35°），该范围是由水平铰机械限动器的结构限制的。所以，直升机在飞行中，通常不会发生桨叶根部同水平铰限动器相接触的情况。然而，在某些极端条件下，桨叶的挥舞运动可能不符合这个规律，比如，在较强的外界作用（强突风、驾驶员粗猛的操纵动作、直升机急剧倾斜等）下，桨叶根部开始与水平铰限动器接触。假若桨叶是绝对刚体，限动器将阻止桨叶的挥舞运动。然而，实际上桨叶具有较大的柔性，因此，桨叶有弹性地绕过限动器，并最终达到一定的角度位置，就像限动器并不存在一样。所以，在对旋翼桨叶锥体动力学作近似分析时，可以不考虑水平铰限动器，在桨叶接触限动器以前，认为是绝对刚硬的，接触以后是绝对柔软的，这种简化处理不会引起桨叶尖部运动轨迹的显著变化。由此可见，在上述极端飞行条件下，单旋翼直升机桨叶尖部可能会发生与尾梁的危险接近、甚至碰撞。

图1 桨叶与尾梁的距离

由图1，直升机桨叶尖部与尾梁之间的距离δ，主要取决于两个因素：一是旋翼结构转动平面与尾梁上部之间的距离A，二是方位角ψN=0处的桨叶挥舞角 β0，即 δ=A+Rβ0，其中，R为桨叶半径。

桨叶挥舞角βN=a0−a1cosψN−b1sinψN，因此，在ψN=0时的桨叶挥舞角 β0=a0−a1。其中，锥体平均角 a0和纵向平面内旋翼锥体向后的偏转角 a1决定于公式：

式中：γN为桨叶质量特性；µ为旋翼工作状态特性；为挥舞补偿系数；ω为转动频率；ωx、ωz为相对机体纵轴、横轴的转动频率；ϕэ为当量旋翼的总距；λ为流过旋翼的入流系数；ϑ为自动倾斜器纵向偏角。

式中：1D为旋翼锥体轴线偏转角同自动倾斜器偏转角间的传动比；

2 旋翼桨叶与尾梁的危险接近

对于给定旋翼结构参数和起始飞行状态运动学参数的具体直升机，使旋翼桨叶同尾梁危险接近的主要影响因素有3个：一是自动倾斜器向后偏转；二是法向过载减小（旋翼总距或攻角减小）；三是操纵直升机旋转。而旋翼转速的减小和直升机飞行速度的增加，则是这种情况的促进因素。故飞行中存在2种主要的使桨叶接近尾梁的危险飞行状态：[3]

1）滑行状态——按飞机方式降落的结束阶段，此时“桨距—油门”杆在低距位置，当直升机前轮接地以后，认为ωz≈0，因此，在最小旋翼锥体角时自动倾斜器向后偏转，是确定桨叶同尾梁接近的决定性因素。[4]

在滑行开始阶段后拉驾驶杆到限动器时，直升机运动速度只有20～30 km/h，旋转桨叶尖部通过靠近尾梁上部的危险区（见图2），如果在这些条件下，直升机受到某个外界扰动附加的作用，例如下降突风（图2中的虚线，相应风速Wy=−5 m/s，滑行速度V=25 km/h）或不平的降落地带，就可能发生旋翼桨叶撞击尾梁。所以，为防止损坏直升机，在以上几种状态下应该采用机轮刹车。

图2 米8 旋翼桨叶尖部和尾梁间距离与自动倾斜器向后偏转角的关系

2）垂直机动飞行状态——进入急跃升、由俯冲中改出，同样需要自动倾斜器向后偏转，并使旋翼桨叶同尾梁靠近，这种情况的分析比较复杂，因为由于直升机俯仰转动、攻角变化，且同时旋翼总距和转速也在改变。

如果像飞行使用手册要求的那样，由平飞进入急跃升并保持“桨距一油门”杆不变，在任何飞行速度和高度下拉杆时，桨叶同尾梁不会发生危险的接触。这主要是旋翼阻尼特性的影响，直升机转动抬头时，桨尖旋转平面相对于旋翼轴向相反方向偏转——低头。换句话说，旋翼锥体和尾梁分开，像剪刀一样，向相反的方向分开一定的距离，从而减小了自动倾斜器向后偏转时桨叶同尾梁的接近程度。由此可见，迅速拉杆在飞行中比地面滑行时要安全，这是由于地面滑行时没有良好的旋翼阻尼作用。

在相同操纵作用下，对于直升机由俯冲改出时，桨叶与尾梁的靠近明显地增加。这是因为俯冲中旋翼的攻角和直升机的法向过载都要小于平飞状态，相应的旋翼平均锥体角也小，然而，如果在改出俯冲的瞬间，直升机处于俯仰平衡(ωz≈0)状态，桨叶撞击尾梁的实际危险同样不会发生。

机动飞行的最大危险发生在下述情况：如果俯冲中直升机同时又在转动(ωz＜0)，此时，驾驶员用力操纵驾驶杆以便改出俯冲。例如：驾驶员推杆进入俯冲或改出急跃升，随后，不等直升机下滑角稳定下来便急剧拉杆。这种情况可能出现在意外复杂的空中环境，例如，航线上发生了碍障（鸟群、低空机动飞行时的电线和其他）。[5]

在机动飞行的开始阶段，当俯冲中直升机还在转动时，因旋翼负攻角和阻尼特性影响的增加——桨叶锥体落后于旋翼轴的转动，向相反方向运动（即抬头），出现桨叶同尾梁的靠近。换句话说，旋翼锥体和尾梁运动是相对的——如剪刀咬合。此外，机动飞行时，旋翼转速可能下降，导致桨叶同水平铰接触时，桨叶的离心力刚度减少，在这种不利的综合因素（Hα、zω、ω的减少）时，如果又出现了桨叶靠近尾梁的决定因素——急剧拉杆，就可能发生桨叶撞击尾梁，桨叶同尾梁的接近随自动倾斜器向前偏转的保持时间τ的增加而增加（见图3）。

旋翼桨叶同尾梁的危险接近还可能发生在下述情况，直升机在大速度下为了很快减速，驾驶员有力地减小旋翼总距同时后拉杆，特别是当直升机机动飞行前进行这种操纵或者有大气紊流的作用（见图4），为了防止旋翼桨叶同尾梁不允许的靠近，在飞行手册中有驾驶直升机的相应限制和说明。[6]