直升机斜爬升性能试飞方法研究

李亮明 沈雳

摘  要：文章针对直升机斜爬升性能，基于平飞性能试飞结果给出了一种理论估算和飞行试验相结合的试验思路和方法。该方法采用无量纲的数据处理方法，通过有限架次的合理编排可以使飞行试验结果覆盖全部作战使用条件，为不同使用环境下爬升性能结果的准确计算以及飞行手册全面验证提供了一种可行的途径。

关键词：直升机;性能;斜爬升;飞行试验

中图分类号：V217         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）33-0103-03

Abstract： A method combining theoretical estimation with flight test was put forward to calculate the forward flight climb performance. The method is generalized and the flight test results can apply to all environments and configurations by limited flight tests and reasonable test plan. It is a feasible way to calculate the forward flight climb performance accurately and to verify the helicopter flight manual.Keywords： helicopter; performance; forward flight climb; flight test

引言

直升機爬升性能是直升机的重要飞行性能之一，在所有新型号直升机的研制要求中，都是重要的战术技术指标，也是影响直升机使用的重要性能参数。确定直升机爬升性能的试验是直升机性能飞行试验的重要组成部分，其目的是确定直升机最有利爬升速度、最大爬升率和使用升限以及这些性能随发动机可用功率、飞行重量、旋翼转速和大气状态参数的变化。

常规的爬升性能试飞验证主要是基于型号研制总要求，在条款要求的试验机构形、起飞重量下，选取与条款要求相近的大气条件，以要求的功率状态进行爬升，通过换算和修正获得指标要求条件下的试验结果[1]。这是一种有量纲的数据处理方法，基于这种方法给出的结果往往针对特定的环境条件和直升机状态，针对性强。但这种试飞方法存在数据结果范围有限的问题，试飞结果仅针对有限的使用环境和试验状态，无法对飞行手册中斜爬升性能曲线进行全面的验证，也无法涵盖真实作战使用环境下的所有状态。若仅仅通过增加试验状态点进行验证，会导致试飞架次的极大浪费。因此，有必要设计一种试飞方法，通过有限架次的合理编排，给出不同使用环境下不同状态点的试验结果。

本文基于平飞性能试飞结果和发动机性能数据，给出了一种爬升率理论估算，通过飞行试验确定修正系数的试验思路和方法。该方法采用无量纲的数据处理方法，解决了试验环境和试飞结果范围有限的问题，为不同使用环境下爬升性能结果的给出以及飞行手册验证提供了一种可行的途径。

1 理论分析

1.1 功率分析

在给定大气条件和重量条件下，直升机平飞需用功率随前飞速度的变化曲线为马鞍形曲线，如图1中所示;在给定的大气条件和气压高度下，可用功率一定。我们将可用功率与一定速度下平飞需用功率之差定义为剩余功率。若我们忽略斜爬升导致的诱导功率、型阻功率和废阻功率等的变化，剩余功率全部用于爬升，则直升机斜爬升率和剩余功率成正比，见公式（1）。

式中：V′为爬升率的估计值，Pav为可用功率，Plevel为平飞需用功率，W为直升机重量。

1.2 动量分析

图2给出了斜爬升状态气流通过桨盘时的速度变化，按照动量理论，旋翼拉力可表示为通过桨盘的气流质量流量和速度变化量之积[2]。悬停状态和斜爬升状态主旋翼拉力与诱导速度的关系为[3]：

式中：Th、T分别为悬停状态和斜爬升状态的主旋翼拉力;vih、viV分别为悬停状态和斜爬升状态主旋翼诱导速度;V、Vf、Vv为直升机真空速、水平速度分量、斜爬升率;AD为桨盘面积;？籽为大气密度。

通过作用在重心上的力（忽略垂向阻力）的平衡分析可知：

假设悬停状态拉力和斜爬升状态垂向拉力（忽略垂向阻力）均等于直升机重量，则：

将上述公式转换为无量纲形式，得到：

其中，悬停诱导功率由下式确定：

式（9）中 分别为使用悬停诱导速度无量纲化的无量纲前飞速度和无量纲爬升率。迭代求解公式（9），得到爬升状态诱导速度随前飞速度和爬升率变化关系如图3所示，由图中可以看出，一定爬升率条件下，诱导速度随前飞速度增大而减小;在给定前飞速度下，诱导速度随爬升率增大而减小，且爬升率对诱导速度的影响在前飞速度较小时比较明显，当 ≥3时，诱导速度随爬升率的变化可忽略不计[4]。在平飞需用功率最低点，剩余功率最大，仅考虑到爬升导致的诱导功率变化，则可用于爬升的剩余功率将比使用平飞需用功率估计的要大，这也导致了达到最大剩余功率的速度点，即最大斜爬升率对应的速度点，将产生变化。

1.3 爬升率修正系数

斜爬升状态下，直升机需用功率可以近似为维持平飞所需的平飞需用功率与维持爬升所需的功率之和，即：

式中：Pclimb为斜爬升需用功率;Pi、PO、PP分别为平飞状态诱导功率、型阻功率和废阻功率;V′为估算爬升率。

由动量分析的结果可知，斜爬升状态，诱导功率相对于平飞状态有所减小;另外，由于斜爬升率的影响，直升机废阻将会增大;因而估算爬升率V′也会与真实爬升率VV有所不同。将真实爬升率与估算爬升率的比值 定义为爬升率修正系数，则确定爬升率修正系数随关键影响因素，即前飞速度和爬升率的变化关系是爬升试验所要达到的目的。

2 试飞方法设计

通过上述分析可知，若已知爬升率修正系数随前飞速度和爬升的变化关系，对于任意给定条件，结合基于平飞性能数据和发动机性能数据得到的估算爬升率和爬升率修正系数，容易求得给定高度下真实爬升率随前飞速度的变化关系，从而得到最有利爬升速度和最大斜爬升率。

由公式（1）可知，确定估算爬升率需要给定条件下发动机可用功率和平飞需用功率，其中发动机可用功率由设计所提供的发动机高度-温度特性曲线和发动机装机性能试飞确定。平飞需用功率可采用同一构型下的平飞性能试飞数据，但必须保证平飞性能曲线族的正确性，且平飞性能曲线族涵盖了爬升性能试飞所需的试验条件和状态点。

基于理论分析可知，爬升率主要受到剩余功率和前飞速度的影响，确定真实爬升率与其关键影响因素的关系分以下两步进行：（1）给定速度和气压高度下，使用一定的功率增量进行变功率爬升试飞，直至达到该高度下最大可用功率，确定爬升率修正系数随爬升率的变化关系。（2）改变速度重复上述步骤，确定爬升率修正系数随前飞的变化关系。

斜爬升飞行试验通常采用锯齿爬升法进行。直升机在试验高度开始，下降至某一高度，改变功率建立稳定爬升并通过试验高度，使用一定的功率增量重复该过程，直至达到试验高度最大斜爬升率。通常要求直升机在试验高度±150m范围内保持稳定斜爬升。

为了得到盡可能准确的试验结果，并扩大试验结果数据范围，应注意以下方面：（1）试验状态点的选取应可能地扩大爬升率数据范围;可通过改变飞行重量、大气温度、飞行高度和爬升功率等因素的组合实现。（2）选择20km/h作为速度增量;有利爬升速度可先由平飞性能试飞近似确定，爬升性能试飞后给出。（3）在爬升试验中严格控制飞行状态，稳定爬升通过试验高度。（4）试验应在风梯度较小的稳定大气中进行，同一功率下进行正、反向试飞，尽可能减小风梯度对试验结果的影响。（5）采用标准旋翼转速进行试验。（6）所有斜爬升试验状态点以及平飞性能数据必须是同一构形。

3 试飞结果及分析

以某型直升机飞行试验为例，使用本文所述的方法，结合开展了试飞验证。其中，平飞需用功率根据前期平飞性能试飞得到的规格化平飞性能曲线族确定，在试验高度，给定不同前飞速度，使用不同的功率增量进行了斜爬升试飞，直至达到发动机最大连续功率状态。数据处理中应注意，仪表爬升率为气压高度随时间的变化率，它与真实爬升率的关系由下式确定[5]：

式中：TH为试验高度大气温度;THS为试验高度标准大气温度;Vy为仪表爬升率。

使用试验条件下的悬停诱导速度对前飞速度、真实爬升率和估算爬升率进行无量纲处理，得到图4和图5，图中分别给出了无量纲真实爬升率、爬升率修正系数随无量纲估算爬升率的变化关系。

由图4、图5可以看出，一定速度条件下，爬升率修正系数随无量纲估算爬升率增大单调递减，且在无量纲估算爬升率较小时，真实爬升率大于估算爬升率，爬升率修正系数大于1，随估算爬升率增大，逐渐减小至小于1;对于给定的爬升率，爬升率修正系数随速度增大而减小。

对于上述现象产生的原因，分三个方面进行说明：（1）一定速度条件下，由平飞转入斜爬升时，爬升率导致诱导功率减小。（2）一定速度条件下，平飞转入爬升时，爬升率导致垂向阻力增大，当爬升率较小时，垂向阻力导致的需用功率增量不足以抵消诱导功率减小的影响，实际剩余功率比估计值要大，真实爬升率大于估算爬升率;随着爬升率逐渐增大，垂向阻力逐渐抵消直至超出诱导功率的影响，从而导致真实爬升率逐渐接近直至小于估算爬升率。（3）前飞速度越小，诱导功率在总需用功率中的占比越大。同时，根据理论分析，前飞速度较小时，爬升率对诱导速度的影响更为明显。因此，对于给定的爬升率，前飞速度越小，爬升率导致的诱导功率减小越明显，爬升率修正系数越大。

4 结束语

本文针对直升机斜爬升飞性能，基于平飞性能试飞数据和理论分析，给出了一种理论估算结合飞行试验的试验思路和方法。该方法为无量纲的数据处理方法，通过合理安排试验状态，扩大无量纲爬升率的数据范围，可以涵盖不同的作战使用条件，从而为不同试验条件下的斜爬升性能给出提供了可行的途径，为飞行手册中斜爬升性能曲线验证提供了有效的手段。

参考文献：

[1]唐亚玲，童文华，张西，等.直升机性能飞行试验[M].西安：中国飞行试验研究院，2003：16.

[2]普劳蒂RW.直升机性能及稳定性和操纵性[M].高正，译.北京：航空工业出版社，1990：1-3.

[3]Patuxent R. U.S. naval test pilot school flight test manual [M]. Maryland： Commanding Officer' U.S.Naval Test Pilot School，199

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[4]阿拉斯泰尔KC，埃里克WHP.直升机试验与评估[M].《直升机试验与评估》译校组，译.西安：中国飞行试验研究院，2006：107.

[5]乔金堂，唐亚玲，于琦，等.航空武器装备飞行试验指南 直升机飞行试验卷 直升机性能册[M].西安：中国飞行试验研究院，2008：52.