某型直升机异常离地状态的尾桨涡环特性分析

费景荣

(海军航空大学航空基础学院， 山东烟台， 264001)

某型直升机2018、2019年连续发生了两起在着陆接地后因特殊情况异常离地、加速快转而导致的飞行事故。有关视频资料表明，国外也多次发生此类事故，且状态变化具有共性。由于直升机的着陆偏差等特殊情况难以完全避免；加之，直升机在舰上、水面上空、野外起降时，因扰动气流等因素导致状态不稳，也可能出现异常离地，因而对此类事故的防范应引起足够重视。直升机异常离地后容易出现加速快转、难以制止的原因及预防措施，是飞行员非常关心的问题。经查阅，部分直升机飞行理论教材[1-4]、有关机型的技术资料对这些问题未加介绍、分析，飞行员认识不清。对此应引起关注，采取措施加以应对。鉴于一旦直升机低空出现持续快速偏转现象后风险极高，本文结合有关事例就这些问题进行计算与分析。

1 某型直升机两起典型事故介绍

1.1 事故过程

事故1：2018年11月13日，某型直升机在着陆接地后飞行员关断自动驾驶仪，直升机滑行过程中状态不稳，飞行员增加总距离地。直升机离地后加速向右偏转，最后带坡度坠地。

事故2：2019年03月17日，某型直升机正常着陆后向停机坪滑行，因在左转弯对正停机位置的过程中前轮未摆正，飞行员修正前轮位置时上提总距杆过量，直升机离地并右偏；离地后带左坡度加速右偏约一圈半后(此过程中直升机离地面最高3.3 m)触地，并继续向右偏转约180°后坠地。

1.2 事故直升机的状态特点

上述事故中直升机状态变化的共性特点是：异常离地后加速右转、难以改出。以事故2为例，飞参数据表明，该机地面滑行中总距从10°开始增加到15°，直升机离地的后的3 s内，平均偏转角速度为16(°)/s，随后的4 s内，平均偏转角速度迅速增加至55(°)/s。

2 事故中直升机的状态特点分析

飞参数据表明，两起事故中直升机异常离地、出现右偏转后，偏转角速度均持续增大。考虑到事故当日直升机在空中一切正常，而某型直升机旋翼为左旋(俯视)，出现难以制止的向右快速偏转，可初步判明在旋转过程中尾桨进入涡环状态。为分析其具体特点，下面首先计算两种不同条件下尾桨涡环的临界偏转角速度。

2.1 尾桨涡环的临界偏转角速度计算

单旋翼直升机在悬停回转和侧飞等情况下，尾桨可能会进入涡环状态[5]。由于尾桨涡环和旋翼涡环的机理和成因相同，可根据旋翼涡环边界的高-辛判据确定尾桨涡环边界[6]。就上述事故看，进入尾桨涡环是直升机在垂直上升中偏转引起，因而以下确定某机在垂直飞行状态下，尾桨涡环对应的临界偏转角速度[5]：

旋翼轴扭矩：

(1)

尾桨拉力：

(2)

尾桨拉力系数：

“中华传统文明历来注重以民为本，尊重人的尊严和价值。”［5］自管仲之后，许多思想家、政治家都提出了“民本或人本”思想，如“民惟邦本，本固邦宁”（《尚书·五子之歌》）、“天地之间，莫贵于人”（《孙膑兵法·月战》）、“民为贵，社稷次之，君为轻”（《孟子·尽心章句下》）、“国以民为本”（《史记·郦食其列传》）以及“民可以载舟，亦可以覆舟”（唐太宗李世民《民可畏论》）等等。这充分表明“我们今天强调的以人为本，继承了中国古代的民本思想”，［5］是植根于中华文明的思想精华。相应的，从上述语句中，我们看不出对社会、对国家以及作为国家代表的“君”、“王”的重视，而明显地是将其置于次要地位。

(3)

尾桨的诱导速度：

(4)

尾桨涡环的临界诱导速度：

vwjlj=0.28vwj

(5)

尾桨涡环的临界旋转角速度：

(6)

式(1)中，发动机轴功率P根据旋翼扭矩的百分比计算，旋翼扭矩来自于该机训练中的飞参数据。对某型直升机，旋翼转速nR=210 r/min，尾桨转速Ωwj=988.95 r/min。下标wj代表尾桨，wjlj代表尾桨临界值。半径Rwj=4 m，尾桨轴到重心的距离L=5.1 m。

为便于通过对比分析事故原因，取两种情况加以计算：直升机着陆接地后低总距、尾桨小拉力状态，空中悬停高总距、尾桨大拉力状态。

某型直升机不同条件下尾桨涡环的临界偏转角速度ωlj计算结果如表1。

表1 某型直升机尾桨涡环的临界偏转角速度

可见，空中悬停状态尾桨涡环的临界偏转角速度为31.5(°)/s，地面滑行状态仅为16.9(°)/s。即某型直升机异常离地过程中容易进入尾桨涡环。

2.2 事故直升机的状态特点分析

如上述，事故直升机离地后的状态变化特点主要包括两个方面：直升机加速快转、飞行员反向蹬舵难以改出。其原因包括两个方面：

首先，直升机异常离地往往由状态不稳等特殊情况导致，飞行员因缺乏足够的心理准备而情绪紧张，上提总距杆易多、易快；且难以像正常情况下协调一致地蹬舵制偏、甚至来不及蹬舵，容易导致直升机离地后较快偏转。而如上所述，在地面尾桨处于小拉力状态，尾桨涡环对应的临界偏转角速度较小，直升机一旦较快偏转，尾桨很快就会进入涡环状态，使尾桨拉力进一步减小，偏转进一步加快。其次，在直升机离地过程中飞行员增加总距后，发动机分配给尾桨的功率也相应增加；如果此时飞行员反向蹬舵制止偏转，也会使尾桨的功率增大。即直升机异常离地后随偏转角速度增大，尾桨的功率与诱导速度也增大，尾桨则会持续处于尾桨涡环状态且强度不断增大，因而向反方向蹬舵难以制止直升机快速偏转。

2.3 异常离地状态下的尾桨涡环特性

上述分析表明，直升机异常离地状态下的尾桨涡环易进、难改，涡环特性显著变差，具体表现：一是由于在地面尾桨处于小拉力状态，尾桨涡环的临界偏转角速度较空中悬停状态时降低近一半，即更容易进入尾桨涡环状态。二是异常离地进入尾桨涡环后如果飞行员蹬舵制止偏转，会使尾桨功率与尾桨涡环的临界偏转角速度增大，同时直升机偏转角速度也迅速增大，导致尾桨持续处于涡环状态且强度不断增大，即蹬舵难以制止直升机快速偏转。由于单旋翼直升机的尾桨涡环机理相同，此结论对其他类似机型也适用。

直升机的尾桨涡环状态与旋翼涡环状态的产生条件不同，但形成机理与物理本质相同，都是在特定飞行条件下尾桨、旋翼处于周期性地“形成-破裂-形成-破裂”的不稳定环状气泡中，尾桨、旋翼周围的气流非常紊乱，气动效率显著下降，飞行状态急剧变化，飞行员难以控制，对飞行安全影响极大，一直都是直升机理论和飞行领域关注的问题。

需要说明的是，在已看到的国内外的直升机理论教材[1-4，7-8]、直升机(尾桨)涡环研究文献[9-12]中，尾桨涡环状态的产生条件都仅限于空中悬停转弯、大侧风条件下悬停或小速度飞行、侧飞等大功率状态；至于异常离地状态下的尾桨涡环问题，未曾见到，飞行员对此问题了解、重视不够，因而应采取有效措施加以应对。

3 预防某型直升机异常离地事故的操控措施

由于某型直升机异常离地状态下尾桨涡环特性显著变差，表现为易进难改、加速快转，加之此时高度低、处置余地小，风险很高，因而保证飞行安全的关键是预防，而飞行员又是预防的重点环节。

根据此类事故形成的事故链：接地后状态偏差或不稳→异常离地→杆舵操纵不协调、直升机加速快转进入尾桨涡环状态→失控坠地，以下从操控的角度提出三方面预防措施。

1)由于着陆接地后状态不稳是导致异常离地的一个重要诱因，因而应注重完善着陆操纵程序，尽量避免着陆接地后状态不稳定现象。如着陆接地前出现摇晃、振动等情况时，应及时控制、视情复飞；再如，垂直着陆接地后，应确保在直升机无前后位移、且总距较低的情况下再断开自动驾驶仪，这一点对避免接地后状态不稳非常重要。

2)接地后状态急剧变化时尽量避免异常离地。因为，直升机在垂直离地前后受力很复杂，正常起飞时为保证直升机稳定地垂直离地，特别是为预防离地过程中快速偏转，对总距和脚蹬操纵协调动作有很高要求，具体规定是：上提总距杆应柔和，并视情调整上提总距杆的速度，根据总距位置和机头变化趋势决定蹬舵时机和量；接近离地，上提总距杆特别柔和，注意判断离地时机。其中，根据飞行经验，离地时机的判断依据是直升机飘飘欲起，有离地趋势；机头有偏转的趋势；直升机抬头、倾斜。可见，正常情况下直升机垂直离地过程中的操纵属于精确操纵。而紧急情况下异常离地，往往没有充分地思想准备，加之情绪紧张，很难做到协调操纵。因此，应尽量避免异常离地，特别要尽可能避免在特殊平台、复杂地形、扰动气流条件下着陆时异常离地。因为，此时异常离地，不仅容易导致直升机加速快转，而且离地过程中如果出现大坡度与大的旋翼拉力力矩，加剧机体倾斜，容易导致直升机翻倒[13]。

3)由于飞行员杆舵操纵不协调，是异常离地进入尾桨涡环的直接原因。因此，在地面修正状态偏差时，重点是柔和上提总距杆，关键是总距与脚蹬协调操纵。需强调的是，由于直升机的总距杆、驾驶杆、脚蹬之间的协调操纵复杂、难度大，且操纵灵敏度高，垂直飞行和小速度飞行时稳定性弱，因而对操纵动作的协调性、柔和性要求很高。作为一名直升机飞行员，既要注重培树“柔和、协调”的操纵品质，更要立足于自驾故障或未接通、“联动操纵”效能下降等复杂情况，强化“柔和、协调操纵是直升机操稳特性的根本要求，也是特殊情况下避免飞行状态剧变的关键”的理念，将“柔和、协调”的良好操纵品质固化为“本能”性习惯、升华为科学素养。

4 结论与建议

1)如前述，有效预防、避免异常离地是避免此类事故、保证安全的关键。为此，应及时补充、完善某型机的教材和技术资料，加强教育、提高认识，增强防范意识，注重飞行前准备，提高应急处置能力。

2)加强检查、维护，保证“联动操纵”机构正常发挥作用。某型机采用了总距-纵向、总距-横向和总距-方向的联动机构，明显减轻了飞行员协调操纵的负担。但由于机械装置难免存在安装误差、空行程、损伤等情况，可能使“联动操纵”的作用显著下降，进而对此类特情产生不利影响。因而应加强检查、维护，保证“联动操纵”正常发挥作用。

3)完善设计，增加直升机的总距杆操纵限制功能。由于总距杆同时控制着旋翼的总距、转速、拉力及发动机功率，决定着飞行性能、旋翼气动特性和飞行状态；且总距杆与脚蹬、驾驶杆的操纵均有关联，因而更强调柔和操纵。实践证明，在紧急情况、边界状态下飞行员操纵总距杆容易过粗，除异常离地外，还可能诱发旋翼失速、旋翼涡环、发动机超扭等险情[14-15]，对飞行安全影响极大。因此，可借鉴先进固定翼战机飞控系统的极限状态限制(如通过控制率进行软限制或通过增加杆力进行硬限制等)功能，完善设计，对操纵总距杆的速度进行限制，最大限度地实现“无忧虑”操纵。这对发挥直升机性能、保证安全有普遍意义。