卡型机舰面共振的特点与预防分析

2019-06-19费景荣李冀鑫雷卫东

直升机技术 2019年2期

费景荣，李冀鑫，雷卫东

(海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264000 )

0 引言

舰面共振是指舰载直升机在舰上起降过程中，旋翼摆振后退模态与机体在起落架上的模态耦合产生的不稳定自激振动现象。它会造成机体损伤和人员伤害。2013年，某部一架卡型机发生了舰面共振事故；此前，印度一架卡-31也发生舰面共振事故。两起事故表明，出现舰面共振后留给飞行员处置的时间约3s～4s。要在如此短的时间内做出正确判断并独立完成规定的处置动作，要求极高，难度很大。因此，有效地预防舰面共振就成为保证安全的关键。

鉴于卡型机的有关资料没有专门针对舰面共振的预防措施，地面共振的预防仅限于维护方面，且维护没有考虑到载舰、海况特点及操纵，本文就上述问题进行初步分析。

1 直升机的舰(地)面共振简介

1.1 舰(地)面共振的基本机理

舰面共振与地面共振的机理相同，其内因是直升机存在两个相互关联的振动系统：桨叶摆振后退型摆振系统和机身-起落架振动系统。如果上述两个振动系统的频率接近或相同，且系统阻尼不足时，在外界扰动激励下，就进入旋翼摆振与机体相互激振加剧状态，旋翼摆动能量不断积累(来源是发动机)，直至旋翼、机体损坏为止。可见，发生地面共振的四个条件是：外界扰动、两振动系统频率接近或相同；振动阻尼不足、振动能量足够。

1.2 舰(地)面共振的鲜发性、偶发性特点

舰(地)面共振是直升机研制阶段需重点解决的问题之一，因而定型后的直升机都可以保证在正常条件下飞行不会发生，属于小概率事件，具有鲜发性特点。据统计，除卡型机外，我陆、海、空军现役其它直升机未发生过地(舰)面共振。

其次，舰面共振的发生需要同时满足上述四个条件，涉及因素多，变化多。只有飞行环境、装备状况和飞行操纵等因素相互影响，满足了所有条件才能发生共振。因而，直升机舰面共振又有偶发性特点。

2 卡型机舰面共振特性的弱点

受各种设计参数权衡的影响，各型直升机避免地(舰)面共振的转速裕度和阻尼裕度存在差别，舰面共振特性也各有特点。如卡型机已发生两起舰面共振事故，直五、“云雀”直升机也曾发生多起地面共振，但我陆、海、空军现役其他直升机从未发生过。卡型机舰面共振特性有如下弱点。

2.1 卡型机舰面共振特性相对较差

2.1.1 摩擦式减摆器的阻尼特性较差

阻尼特性是影响地(舰)面共振的一个基本因素。卡型机的共轴双旋翼结构不便于设置桨叶液压减摆器，因而采用了摩擦式减摆器。图1、图2是两类减摆器阻尼特性示意图。可见，摩擦式减摆器的当量线性阻尼系数随旋翼摆振幅度的增加而迅速减小，即旋翼的阻尼裕量较小，舰面共振特性相对较差。

图1 摩擦式减摆器当量线性阻尼系数

图2 液压式减摆器当量线性阻尼系数

2.1.2 无鱼叉不利于增大接舰后机体的滚转刚度和阻尼

研究表明：鱼叉系留时，起落架压缩量增大，机体的滚转刚度和阻尼增大，发生舰面共振的动不稳定转速区域减小，有利于预防舰面共振[1]。卡型机无鱼叉装置，不利于预防舰面共振。

2.2 复杂海况下卡型机接舰状态变化明显不利于预防舰面共振

无论单旋翼还是共轴式直升机，在复杂海况特别是侧风条件下着舰下降，距甲板较近时，受甲板涡流和“舰面效应”的影响，都会出现摇晃。因为，如图3，迎风一侧甲板上空的部分旋翼外部受到较强上洗流、侧洗流影响；同时，背风一侧甲板上空的部分旋翼则受到较强的涡流负压区的影响[2-3]，易加剧直升机摇晃；其次，在摇晃过程中，左右两侧的部分旋翼距甲板距离及“舰面效应”的变化，也加剧直升机摇晃。

但与单旋翼直升机比，由于共轴式直升机有两副旋翼，拉力特性好，且旋翼对重心的力臂较大，对甲板涡流和“舰面效应”响应更明显，摇晃更剧烈。其次，卡型机机身扁平、双垂尾、双旋翼、机身重心高，对侧风响应也明显，也加剧了复杂气象条件下着舰状态的变化。据飞行员反映，在复杂海况下，卡型机在甲板较低的舰上降落时，状态不稳的现象较常见。其中，最典型的事例是2012年5月30日，我海军一架卡型机在着舰过程中，因海况较差，直升机剧烈摇晃，连续三次才着舰成功，曾引起广泛关注。而直九、直八直升机着舰状态不稳的现象较少。需要说明的是，据卡型机两起舰面共振的视频可以看出，其直接诱因都是接舰状态不稳、带坡度重接舰(共振动态也相同)。

图3 有侧风时甲板上空涡流示意图

2.3 卡型机舰面共振处置难度较大

因卡型机从着舰到剧烈振动，仅有3s～4s，而其发动机停车手柄在中央操纵台左侧，由左座飞行员操纵。当振动时，飞行员右手不能离开驾驶杆以控制状态，防止翻倒，左手操纵总距杆，要在3s～4s内正确判断舰面共振并通过左手独立完成规定的关车和上提总距杆动作，要求极高，难度很大。且直升机进入剧烈振动时，飞行员行为能力明显下降，无法有效处置，对某当事机组询问的答案证实了这一点。

此外，直升机正常着舰时往往存在一定振动，舰不稳定时振动较明显且无固定规律，这就给区分正常振动和舰面共振带来较大难度。卡型机现有技术资料缺乏明确的舰面共振判定依据，加之舰面共振属小概率事件，飞行员没有处置经验，飞行员要在紧急情况下迅速判断出舰面共振很困难。根据某事故卡型机着舰后战术指挥长给出系留手势和对当事机组的询问，当事机组在振动初期没有意识到发生共振。

卡型机发生舰面共振后判断、处置的难度较大，决定了预防舰面共振是保证安全的关键。

3 两起卡型机舰面共振过程分析

从卡型机的两起舰面共振事故视频可知，其接舰动态具有共同特点：都表现为直升机着舰下降中出现了明显前后左右摇晃；接舰前直升机右倾、下俯，致使带右坡度右主轮先重接舰，接着右前轮、左前轮、左主轮接舰；接舰后开始小幅振荡，约6s后振动明显增强，机头明显顺时针偏转，机身左侧移动。约10s后机身损毁、桨叶折断。

可见，接舰状态不稳、带坡度、俯角单轮重接舰是舰面共振的直接原因。其中，“右主、右前、左前、左主轮依次接舰与机头顺时针偏转”的动态具有共性，其对舰面共振的诱发过程可大致分为激起振动、小幅共振、振动发散三个阶段。

1)激起振动：“右主、右前、左前、左主轮依次重接舰”，必然引起与接舰机轮相同位置处的桨叶附加的向下挥舞与后摆，依次产生附加的离心激振力与振动；由于满足舰面共振的频率是一个范围，因而若机体振动频率在变化中接近旋翼激振频率，两者就会相互激励，激起小幅振动。

2)小幅振动：由于轴流状态共轴式直升机的下旋翼受上旋翼的干扰，工作环境恶劣，旋转阻力与反作用力矩大于上旋翼[4-5]，因而在小幅振动过程中，随着旋翼运动的混乱加剧，下旋翼向左的反作用力矩不断增大，机头逐步顺时针偏转，旋翼桨毂中心也随机身同步顺时针转动；而由于桨叶与旋翼旋转轴之间通过关节相连，不能与桨毂中心同步转动，因而顺时针旋转的上旋翼桨叶出现了相对桨毂中心的附加后退型摆振，增大了离心激振力与振动能量。其次，上旋翼的力臂大，传给机身的振动能量大；加之卡型机阻尼特性差，导致前6s内振动能量逐渐接近阻尼，处于小幅临界振动状态。

3)振动发散：由于共振运动的非线性特点，小幅振动中可能因某个原因阻尼减小，致使由临界状态发散，演变为共振。

4 对预防卡型机舰面共振的探讨

由于舰面共振诱因与事故链的环节都较多，加之卡型机舰面共振特性相对较差，因而其预防措施也涉及人、机、环多个方面。

4.1 加强两个振动系统相关部件的维护，奠定预防基础

两个振动系统相关部件处于正常状态，是避免舰面共振的基础。而直升机振动源、振动类型多，海上环境等都对部件寿命产生不利影响。为此，应通过日常检查、维护，重点保证起落架(充填压力、充油)、减摆器的阻尼性能，符合设计要求；垂直关节连接牢靠，无间隙、无变形；静态摩擦力应符合规定；缓冲支柱内高、低压腔的充气压力应符合规定；轮胎充气压力应符合规定(须随环境、气温调整)。

其次，由于旋翼桨叶外形及拉杆、调整片等部件异常往往牵一发动全身，引起直升机状态变化，因而还应按规定做好旋翼打锥体工作，并需注意检查、维护上述部件，以避免出现旋翼脱锥。

4.2 针对舰机适配性特点，采取针对性预防措施

两起卡型机的事故都证明，接舰状态异常，是舰面共振的直接诱因。而接舰状态与舰机适配性直接相关。据飞行员反映，在复杂海况下，卡型机着舰状态不稳的现象多出现在甲板较低、外形规则的某类载舰上。除本次事故外，表1中的三次典型情况也充分证明了这一特点。因而提高其舰机适配性具有现实紧迫性。

表1 不同载舰甲板对卡型机着舰状态影响的典型事例

直升机着舰的舰机适配性主要涉及舰型和甲板合成风速、风向。其特点需要借助于理论分析、甲板涡流特性试验及实测。目前，国内的工作仍不能满足需要，因而可借助实践经验提高舰机适配性。

4.3 着眼三个阶段正确操纵处置，把握预防最后环节

实践证明，直升机接舰状态不稳与接舰重是舰面共振的直接诱因。但着舰过程的各阶段又相互关联，同时还受甲板涡流影响。因此，从预防舰面共振的角度，着舰过程应满足：平稳垂直下降、轻稳接舰、接舰后视情操纵。

4.3.1 垂直下降中的正确操纵

首先，复杂海况着舰，机组要从心理、方法上随时做好复飞准备。舰艇纵横摇较大或舰尾气流使直升机状态不稳时，若条件不具备，应从飞行甲板退出，在舰尾等待平稳期再次着舰。

其次，直升机下降摇晃时修正动作不宜大，应及时回杆。因为，直升机有一定的横侧稳定性，且直升机摇晃时舰面效应的变化也起到稳定姿态的作用；另一方面，前飞速度较小时，直升机的操纵反应较慢，如果修正量过大，可能加剧状态发散。

再次，保持有利的接舰姿态。一是应尽可能轻稳接舰。须认识到，直升机在下降中出现摇晃时，快着舰不等于重着舰，快放总距不等于粗放总距，即放总距应及时、柔和，接舰瞬间可视情稍补点总距，以尽量减小接舰时的下降率。二是应注意避免“机轮依次重接舰”。由于直升机接舰下降中摇晃时，下降率容易大，在俯仰稳定力矩作用下机头必然下俯，因而一侧主轮接舰前后应适量带杆，避免随后前轮重接舰。

4.3.2 接舰后视情正确处置

第一，如果接舰重，直升机状态明显不稳，但舰摇晃较小，可先将发动机置于慢车状态，并关飞控系统，再系留直升机。

尽管目前卡型机着舰后是在“自动”状态进行系留的，这里有直升机接舰后舰船剧烈摇晃时修正或紧急离舰的考虑，但在“慢车”状态系留有三个优点：一是有关研究结果表明，旋翼拉力增加，起落架的压缩量减小，机体的滚转刚度和阻尼减小，舰面共振的动不稳定转速区域增大，不利于预防舰面共振[1]；二是慢车状态发动机功率小，共振能量小；三是由于直升机在地面倾斜后，旋翼拉力起不稳定作用，重力起稳定作用；慢车状态旋翼拉力与其不稳定作用较自动状态小，直升机摇晃幅度也小，加之舰摇晃较小这一前提条件，已没有紧急离舰的必要。将发动机至于慢车状态系留，既有利于预防舰面共振，也避免了采用立即关车的方法可能对发动机造成的损伤，因而是预防舰面共振一个较实用的措施。其次，直升机振动时，飞控系统不断调整以稳定姿态，很易在调整中对旋翼产生激励，诱发舰面共振。

第二，如果发现振动有明显增大趋势，应果断关车，并上提总距。