舰载直升机舰面开关车包线分析技术研究

周禹　沈雳　惠晓刚

摘  要：舰载直升机舰面开关车包线是直升机-舰船动态配合特性验证的重要内容之一。主要通过总结提炼国内外在直升机舰面开关车包线分析技术研究方面的成果，系统介绍并分析了该项技术的内涵、研究目的，以及主要研究思路和研究内容，并通过分析国内主要技术差距提出后续工作建议。

关键词：舰载直升机;开关车包线;旋翼瞬态气弹响应

中图分类号：V275 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）07-0011-04

Abstract： Technical connotation and research purposes on shipboard engage/disengage envelope are been analyzed in this thesis. At the same time， research ideas and contents are been introduced by the numbers， based on the productions all over the world.

Keyword： shipboard helicopter; engage/disengage envelope; transient aeroelastic rotor response

1 概述

舰载直升机是现代海军维护海洋权益、保障领海安全的重要军事力量。舰载直升机承担的主要任务包含反潜反舰、空中预警、布雷扫雷、垂直补给、以及侦察救护等[1]。

对于直升机的舰面开关车阶段而言，其中一个典型特点是旋翼转速较低，因此旋翼的离心力不大，但此时旋翼的气动力相比较而言却可能很大，尤其是在高海况或是较大风速条件下，再加上此时特殊的直升机-舰船气动干扰环境，旋翼桨叶易在此时发生向下的过量挥舞，一旦出现该现象，将容易导致桨叶与机身、尾桨等部件之间的碰撞，造成不同程度的安全事故。研究发现，桨叶的过量挥舞通常发生在开车阶段旋翼的开始几圈旋转过程和关车阶段的最后几圈旋转过程中[2]。美国海军的H46纵列式直升机自1964年服役以來，在舰面实施开关车的过程中，曾遭遇过上百次桨叶与传动轴的碰撞事故，轻则引起传动轴表面的变形或是撕裂表面，重则切断传动轴、损坏桨叶或是引起桨叶挥舞限动装置的失效[3]。因此，为尽量避免该类事故的发生，要求直升机在舰面开关车实施过程中必须严格按照相关的限制条件执行。

本文将主要针对舰载直升机舰面作业和飞行系列包线中的舰面开关车包线，通过对国内外研究成果的总结与分析，重点介绍该项技术的研究思路，同时对该项技术的技术内涵、研究目的、意义等进行分析，并通过分析国内主要技术差距提出后续工作建议。

2 技术内涵及研究目的

直升机舰面开关车包线是针对某一型直升机-舰船组合，在不同海况、舰船运动、以及驾驶员操纵等条件下，直升机在舰面实施旋翼开关车时，不同甲板风速、风向的最大安全边界。图1为直升机舰面开关车包线的一种典型描述，其中阴影部分为可安全实施开关车操作的甲板风速、风向范围[4]。

直升机舰面开关车包线分析技术一般是通过对舰面使用环境下，旋翼桨叶的瞬态气弹响应特性进行分析，获得桨叶桨尖的最大向下挥舞量，从而确定不同甲板风条件下桨叶与机身的间距，依据一定的标准或要求制定出甲板风的最大安全边界。

直升机舰面开关车包线分析技术研究工作的最终落脚点在于：掌握直升机在舰面环境下旋翼桨叶的瞬态气弹响应特性，明确桨叶与机身、尾桨等发生碰撞的原因，针对关键参数的影响，分别从设计改进以及实际使用的角度制定安全措施，以最大限度减小舰面开关车实施过程中安全事故发生的几率。

3 国内外研究现状

直升机舰面开关车包线分析技术是直升机-舰船动态配合特性分析与验证技术研究的重要内容[5]。二十世纪中期以来，随着舰载直升机应用领域的扩展，机舰动态配合问题引起越来越为广泛的关注，针对舰面开关车包线技术的相关研究工作也从无到有，由浅入深的逐步开展中。

在国内外针对该项技术的研究工作中，成果较为显著的当属美国宾夕法尼亚大学与美国海军联合开展的直升机舰面开关车过程旋翼桨叶瞬态气弹响应特性研究项目[3]。项目开始于1995年，在该项研究工作中，基于已有的旋翼桨叶静态试验、直升机-舰船缩比模型风洞试验、以及真实舰面环境下开关车试验等一系列、多个机型的试验结果以及理论建模、参数分析等理论研究成果，首次比较系统的介绍了旋翼桨叶瞬态气弹响应预测技术及在直升机舰面开关车包线分析技术中的应用。

近些年来，以国内高校相关专业的研究工作为代表，各方学者和工程技术人员也针对直升机舰面旋翼瞬态气弹响应特性开展了一些研究工作。康浩等在已有模型基础上，针对桨叶结构模型以及起落架模型[5]等开展了进一步的研究，分析了包含倾转旋翼在内的多种型式旋翼舰面瞬态气弹响应。韩东等也在理论建模的基础上，对桨叶-机身碰撞机理以及铰接式旋翼刚柔耦合[6]、弹性变形耦合、舰船纵/横向运动[7]和浮沉运动[8]等对舰面直升机旋翼瞬态气弹响应的影响进行了分析。

但总体来看，国内的研究内容仍主要集中在理论建模技术和主要参数分析方面，对相关的评估标准，以及试验内容、试验方法等的研究工作仍然缺乏，舰面开关车包线分析技术的研究仍未系统全面开展。

4 研究思路

直升机舰面开关车包线分析技术研究的主要思路可简要概括为：首先建立旋翼桨叶瞬态气弹响应理论分析模型，通过若干的专项试验结果对理论模型进行验证;基于验证和完善后的模型，对旋翼桨叶瞬态气弹响应特性、桨叶桨尖向下挥舞最大位移量、桨叶-机身间距等进行预测，依据一定的标准制定出舰面开关车包线;通过关键参数分析给出减小直升机桨叶-机身碰撞事故发生概率的设计改进以及使用建议。

4.1 理论预测模型

在研究中，桨叶模型被简单处理为包含挥舞和扭转运动的弹性梁，使用汉密尔顿原理建立桨叶运动方程，并使用有限元方法进行离散处理，在非定常气动载荷建模方面使用叶素等理论[9]。本文将主要针对铰接式旋翼进行介绍。

在对旋翼桨叶理论建模之前，首先引入了几个假设条件：

（1）因旋翼开关车过程中桨叶-机身的碰撞现象主要发生在低于20%标准旋翼转速工作范围内，故建模不考虑摆振运动;

（2）因舰船运动的频率相对直升机旋翼的运动频率而言较低，故建模不考虑舰船运动;

（3）因旋翼开关车过程旋翼转速较低，相比较离心力而言，桨叶重力不容忽视，故建模需考虑桨叶重力的作用。

基于上述考虑和假设，建立旋翼瞬态气弹响应分析模型。

（1）桨叶结构模型

使用汉密尔顿原理建立桨叶运动能量方程，主要考虑：离心刚度对挥舞运动影响;桨叶挥舞、扭转变形，变距拉杆，挥舞限动装置的应力应变;桨叶重力、挥舞运动阻尼、以及舰面环境下气动载荷对桨叶运动的影响。

对于铰接式旋翼而言，在舰面开关车阶段较为重要的一个结构特点是挥舞运动的上、下限动装置，该机械装置主要实现对旋翼挥舞铰向上和向下的运动进行约束。以挥舞下限动装置为例，在旋翼开车过程中，旋翼转速较低、挥舞铰角度小于某一特定数值时，该装置将对桨叶的向下挥舞产生约束;当旋翼转速增大到一定数值时，该装置的约束作用取消，直至关车过程旋翼转速减小至特定数值。

在理论模型中，将挥舞限动装置连同桨叶一起处理成带一定约束条件的，挥舞铰处的弹簧系统。对于挥舞下限动装置，当挥舞铰角度大于限动装置设定角度时，弹簧刚度系数为零;当小于设定角度时，该弹簧系统将提供足够的刚度产生约束作用。

此处需指出：

在假设1前提下，桨叶运动仅考虑了挥舞和扭转，但随着新型复合材料桨叶等技术的发展，这一假设可能存在一定的局限性。为进一步提高模型的精确度，可考虑桨叶挥舞、摆振、扭转、以及拉伸变形等运动以及各运动间的耦合作用。

在假设2中，因考虑到舰船运动频率相对旋翼运动频率较低，故忽略了艦船运动对旋翼惯性载荷的影响。但在真实环境下，舰船角运动必然引起旋翼桨盘不同程度的随动挥舞，尤其是在旋翼转速较小的情况下随动挥舞会更加明显，这种旋翼桨盘倾斜相对于机身角运动的滞后响应现象是否会对桨叶-机身间距产生明显影响，仍需进一步的分析和验证。

（2）气动环境模型

受舰船运动、甲板环境、以及海上复杂多变气象条件等的综合作用，直升机旋翼桨盘所处的气动环境较为复杂，而且具有明显的非定常性，因此，在对该部分内容进行理论建模时，需充分考虑舰面环境的实际特点。对旋翼桨盘处的气动环境通常从四个方面进行考虑，分别是：

a.舰船运动

在洋流作用下，舰船运动可呈现多种形式。旋翼瞬态气弹响应分析中，通常将舰船运动简化处理为包含纵、横、垂三向线运动和角运动的刚体模型。由前述假设，忽略舰船运动对旋翼桨叶惯性力的影响，仅考虑对旋翼气动力的影响。

b.甲板风

在旋翼瞬态气弹响应分析中，通常将甲板风作为常值风处理，用以模拟甲板的定常风环境，使用水平风速、风向、和垂向风速分量三个要素进行定义。

c.阵风

与甲板风相比，通过建立阵风模型对甲板气流的复杂扰动环境进行模拟。在已有研究中，选择了三种典型模型分别模拟旋翼桨盘处不同的扰流类型，包含：常值扰动、阶跃扰动、和线性扰动。

d.非定常气动力

除上述三种气动环境外，桨叶气动载荷还在不同程度上受到非定常气动力等的影响，包含桨叶气动失速、尾流分离等。研究表明，在变风速的阵风扰动以及较大风速的常值风扰动环境下，对非定常气动力建模的考虑将增加整个分析模型的精确度。

4.2 开关车包线评估方法

直升机舰面开关车包线是用于确定开关车过程中甲板风最大安全边界的一种图形工具，主要是通过对旋翼桨叶瞬态气弹响应的分析，获取桨叶桨尖的最大向下挥舞量，基于一定的桨叶-机身间距标准制定而成。

对于特定的一型直升机-舰船组合，在指定开关车剖面、海况、舰船运动、以及驾驶员操纵等条件下，舰面开关车包线制定的具体步骤可描述为：

（1）首先，获得不同甲板风速、风向组合条件下，旋翼桨叶桨尖最大向下挥舞位移量。其中，甲板风速、风向数据点的选取遵循由中心向边界逐步推进的原则。在H46直升机开关车旋翼瞬态气弹响应分析中，甲板风向间隔选为15°，风速由中心向外间隔选为5节，共选取240个状态点。

（2）基于旋翼桨叶桨尖最大向下挥舞位移量，获取桨叶-机身最小间距数据结果，并按照一定的标准进行等级划分。可参照H46直升机桨叶-机身间距等级（blade clearance scale，简称BCS）划分标准[4]。

（3）依据直升机-舰船特定组合对桨叶-机身间距等级的具体要求，给出甲板风最大安全边界，制定出舰面开关车包线。

在旋翼瞬态气弹响应的分析过程中，对舰面开车过程和关车过程的处理方法是相同的。图2给出了使用BCS标准制定舰面开关车包线的一个样例。图中，将不同甲板风条件下各状态点结果按照间距等级标准进行划分，四种图标分别标识了4个等级的结果。要求桨叶-机身安全间距不得小于8inch，即不得低于等级2，故使用等级2、等级3边界确定最大安全包线，图中阴影部分即为包线范围。

目前，针对不同直升机-舰船组合下，桨叶-机身间距不同等级边界定义方面的研究工作正在进一步开展中。

4.3 参数分析

针对铰接式旋翼系统的直升机，考虑的关键参数主要包含：气动环境、驾驶员操纵、以及旋翼设计参数。

（1）气动环境

主要包含舰船运动参数以及不同类型阵风扰动形式。其中，舰船运动参数包含：旋翼桨毂中心到舰船重心的纵/横/垂向距离以及舰船纵/横/垂向运动参数（幅值、周期、初始相位等）;不同类型的阵风扰动形式主要反映了舰面环境下流场不同程度的紊流度。

（2）驾驶员操纵

a.开车实施前的操纵输入设置。主要是指开车实施前的总距、纵横向周期变距设置。

b.开车阶段的桨叶初始方位。主要是指在不同的甲板风来流方向下桨叶的初始方位角。

c.开关车旋翼转速剖面。驾驶员对开关车剖面的控制主要体现在开车阶段油门的加速率和关车阶段旋翼刹车实施的时机。

（3）旋翼设计参数。主要是指旋翼挥舞阻尼在减小桨叶桨尖向下挥舞位移方面的有效性。

通过关键参数分析，不仅明确了不同直升机-舰船组合方式下，桨叶与机身、尾桨等发生碰撞的原因，还分别从舰船运动，直升机舰面位置，驾驶员开车前操纵量、开车时机、开关车过程控制，以及设计改进等方面给出舰面旋翼开关车安全实施的条件限制和合理建议，可最大限度减小安全事故发生的几率，这也正是直升机舰面开关车包线分析技术研究的最终目的所在。

5 国内主要差距及后续工作建议

在直升机舰面旋翼开关车包线的系统分析和技术研究方面，美国一直保持“独树一帜”的地位。与之相比，国内的主要差距在于：

（1）基于直升机舰面旋翼开关车包线的技术特点，该包线主要是通过经试验、试飞验证过的理论预测模型给出。理论模型的准确性、可靠性将是决定包线是否安全、合理的关键所在。近年以来，在直升机舰面旋翼瞬态气弹响应理论建模技术方面，国内高校基于美国已有成果开展了不少工作，但仍存在诸多的不完善之处，主要集中在舰面环境对直升机旋翼瞬态气弹响应特性的影响方面，包括不同机-舰组合下直升机舰面使用环境的仿真模拟，不同海况、洋流运动情况下舰船运动模型的搭建，舰面稳态和瞬态气动流场模型的搭建等。此外，由于国内未系统开展过相关的试验、试飞工作，理论验模技术仍存在空白。

（2）按照美国海军舰机动态界面相关使用包线的规定，所给出的直升机舰面旋翼开关车包线必须是经过最终试飞验证后的结果。因此，围绕直升机舰面旋翼开关车包线试飞验证内容、验证程序、验证方法、安全保障措施、以及相关的前置试验项目（实验室试验、风洞/水洞试验）等的试验/试飞验证技术研究，将是该项工作系统、有效开展的关键一环，而这恰恰是国内目前缺失的主要环节。

舰面旋翼开关车包线的边界确定是基于桨叶-机身的最小安全间距要求，该边界的确定需考虑开关车包线的主要影响因素、并综合考虑具体的机-舰组合特点和舰面使用环境。但目前国内直升机机舰适配性相关的国军标、型标、试飞标准等标准规范中，均无针对该边界等级的界定要求。在美国相关的研究报告和公开文献中，对于该边界等级的制定依据也不明确，这也成为该项技术研究中不可避免的工作内容。

（3）综上，国内目前并未系统开展直升机舰面旋翼开关车包线分析技术的研究，与国外相比，在诸多关键技术点上存在较大差距。该项技术涉及专业领域较广，包含理论建模、仿真分析、实验室试验、风洞/水洞试验、飞行试验等多项技术领域和直升机、船舶的设计/使用等部门，技术难度和资源保障难度较大，建议后续依托型号任务，联合试验/试飞单位、主机厂所、高校、船舶等相关部门，针对其中的关键技术点开展专项研究。

6 结束语

本文主要通过对比国内外研究现状，总结提炼现有研究成果，对直升机舰面开关车包线分析技术的技术内涵、研究目的、研究思路以及主要研究内容等进行系统的介绍和分析。

直升机装备水面舰艇是海军现代化的一个重要标志。随着国际形势的发展，在现代海战中舰载直升机的作用必将越来越突出，无论现在还是未来，我海军对舰载直升机的需求必然会越来越广泛。在舰载直升机众多专用技术之中，机舰动态配合问题正是亟需解决的重要问题之一。作为直升机机舰动态配合技术研究不可或缺的内容，舰面开关车包线分析技术将成为舰载直升机技术发展必然面临且必须解决的问题。因此，如何把握住我国舰载直升机型号研制的大好机遇，结合该项技术的技术特点，系统开展相关试验技术研究是我国舰载直升机试飞技术面临的一项重要课题。本文的研究内容，为后续相关工作的系统开展奠定了基础，明确了方向，具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]崔翰明，许建华，曾庆吉，等.世界舰载直升机的现状与发展[J].直升机技术，2009（2）：68-71.

[2]Edward C.Smith，Jonathan A.Keller，Hao Kang.  Recent developments in the analytical investigation of shipboard rotorcraft engage and disengage operations[D]. Pennsylvania State University， 1998：1-2.

[3]William P.Geyer Jr，Edward C.Smith，Jonathan A.Keller. Validation and application of a transient aeroelastic analysis for shipboard engage disengage operations[D].Pennsylvania State University， 1996：4-5.

[4]康浩，高正.艦面直升机旋翼瞬态气弹响应分析[J].航空动力学报，2000（1）：67-70.

[5]Hao Kang，Chengjian He. Modeling and Simulation of Rotor Engagement and Disengagement During Shipboard Operations[J]. AHS60th， 2004：7-10.

[6]韩东，高正，王浩文，等.铰接式旋翼舰面瞬态气弹响应及参数研究[J].空气动力学学报，2007（1）：7-11.

[7]韩东，王浩文，高正.舰船纵横摇运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析[J].直升机技术，2007（3）：34-38.

[8]韩东，王浩文，高正.舰船升沉运动对旋翼瞬态气弹响应影响分析[J].空气动力学学报，2007（4）：449-453.

[9]William P.Geyer Jr，Edward C.Smith.  Aeroelastic analysis of transient blade dynamics during shipboard engage/disengage operations[D]. Pennsylvania State University，1995：6-8.