张祥 张磊 王学军

摘 要：共轴双旋翼直升机的地面共振不稳定性问题亟待解决，通过动力学模型分析和实际实践得出，要抑制其地面共振不稳定性需要增加其摆振铰外伸量，增加旋翼和机体的重心距离，增加上下旋翼间距，增加桨叶的叶摆固有频率等，本文将就解决该问题的几个关键点做阐述。

关键词：共轴双旋翼 直升机 地面共振 不稳定性 抑制

共轴双螺旋桨直升机有着自身的特点，它整体机结构较为紧凑，尺寸较小，这样的特点让它更适合作为舰载机来使用。在共轴双螺旋桨直升机实际使用时在起飞阶段容易发生螺旋桨和地面发生共振的问题，这样的问题的发生对直升机本身和操作员构成了威胁，所以必须采取一定的可行性措施来抑制该问题的发生保障飞行安全。

1直升机参数对地面共振的影响

共轴双螺旋直升机地面共振问题的发生有很大一部分原因是其自身的结构存在问题，分析直升机的参数对摆振铰外伸量，下旋翼与机体重心的距离，上下旋翼距离和固有摆振频率等进行分析，并作出相应的调整对抑制该问题有很大帮助。

1.1摆振铰外伸量对地面共振稳定性的影响

根据状态方程并结合相关数据的演算推理得出，摆振铰外伸量的变化会明显引起地面共振的稳定性，并且随着摆振铰外伸量的增加，桨叶摆振固有频率也会随之增加，不稳定转速会随之提高。从这一点能够看出摆振铰外伸量会对共振稳定性产生影响，所以要在该参数上作出相应的调整。

1.2旋翼与机体重心距离对地面共振稳定性的影响

同样利用状态方程将上下旋翼与机体重心的距离进行演算可以模拟出旋翼与机体重心距离对地面共振稳定性的影响，综合实验室的实验结果可以得出，随着旋翼与机体重心距离的不断增加，机体的滚转模态的固有频率降低，不稳定程度也在增加，在这其中存在这一个不稳定区间。所以通过该项数据的实验可以得出旋翼与机体重心距离对地面共振稳定性有一定影响，并且随着旋翼和机体重心距离的增大不稳定系数也在增大。

1.3上下旋翼间距对地面共振稳定性的影响

在控制旋翼与机体重心距离保持不变的前提下，在实验中将上下旋翼的间距进行不断更改并利用状态方程进行拟合可以得出，随着下旋翼轮毂与机体重心距离的增加，机体的固有频率改变，这使得直升机本身的的不稳定区间随之变化，这样的变化对于控制稳定性来讲非常重要。所以上下旋翼的间距参数对于稳定性的控制需要多加考虑。

1.4桨叶摆振刚度对于地面共振稳定性的影响

综合实验数据和状态方程计算机模拟情况可以得出，摆振刚度的变化会引起摆振固有频率的伴随变化，并且这个变化关系是正向相关的，桨叶摆振刚度通过对固有摆振频率的影响进而影响机体整体的稳定性。通过該项数据可以得出桨叶摆振刚度对于控制稳定性而言也是一项关键参数。

1.5机体俯仰、滚转频率对于地面共振稳定性的影响

相比于上面几种参数对地面共振的影响机体俯仰、滚转频率的影响是更多样化的，随着机体俯仰、滚转频率的参数改变通过状态方程模拟可以看出机体的固有频率，阻尼，不稳定区间都在发生变化，这说明该参数对稳定性的影响是多方面的在设计时需要综合多方面来考虑。

2关于地面共振的被动控制的分析

机体本身的各项参数会通过影响其固有频率等来影响其工作时地面共振的稳定性，通过机体本身设计来解决问题是主观的，相比于机体本身的问题地面所带来的问题就是相对被动的，不容易改变的，要增强稳定性需要考虑在桨叶上安装摆振阻尼器，通过阻尼器的有效应用来减少地面共振问题的发生。

2.1关于阻尼器的分析

要想解决地面共振而导致的不稳定的问题的发生，应用阻尼器是必须的。目前，我国大部分直升机采用的都是液压阻尼器或者粘弹阻尼器，这两种阻尼器的工作原理有一定的区别，工作适合环境也有区别。液压阻尼器的阻尼力矩和速度的平方成正比关系，通过流体在阻尼器中的流动与内壁产生摩擦而较少震动而粘弹阻尼器的阻尼力与其位移成正比。

2.2地面共振的被动控制

地面共振的被动控制需要在机旋翼上安装阻尼器来实现，阻尼器的安装使得桨叶的摆振刚度获得提高，从而让耦合转速更快更稳定。应用阻尼器还可以提高桨叶的摆振阻尼，让其工作时与地面的工作共振峰值减少，增加稳定性。在实际应用中可以采用单阻尼器抑制法，通过液弹阻尼器附加的同效应刚度来使桨叶的摆振固有频率获得提高，并且随着旋翼桨叶的阻尼比值的增加共振峰值会得到减小，当上下旋翼和机体的阻尼比为相同倍数时阻尼峰值降低幅度最大。在实际应用中也可以考虑双阻尼控制法，在上旋翼上加装不同的阻尼器可以综合利用不同阻尼器的优点，通过实验数据可以得出随着阻尼比的增加，不稳定区间的转速上限随之增加，但是转速的下限也会变得更小。当采用相同的阻尼比时随着刚度的不断增加不稳定区间的转速趋于一致，但是下限转速会提高这说明在使用双阻尼器进行控制时要好要附加刚度较大的阻尼器来减少其不稳定区间。

3地面共振的主动控制

利用状态反馈的方法来把不稳定的系统改造为稳定系统就可以实现主动的地面稳定控制。

通过增益矩阵的计算和仿真分析可以得出以下结论：（1）要建立完全可控系统的状态空间来实现地面共振主动控制。（2）对于完全可控系统而言通过状态反馈控制来设计反馈矩阵可以使不稳定系统变为稳定系统。

4共轴双螺旋直升机地面共振实验系统设计

为了更好地实践理论要设计出一套可行的实验系统，这个系统要以能综合实验模型旋翼、正反转驱动机构、模型机身、万向节和阻尼器等性能为前提，测算出刚度、转速和固有频率等关键参数，该实验系统对于整体设想从理论向实际发展有重要意义。

总 结

地面共振控制问题是直升机在设计时必须要解决的一个关键问题，为了保证起飞的安全和飞机的性能必须要在设计时对共振问题作出抑制。本文通过对机体本身各项参数的测算推倒与模拟找出了直升机机体本身的参数如摆振铰外伸量，下旋翼与机体重心的距离，上下旋翼距离和固有摆振频率等对共振的影响，通过增加或者减少这几个部分的参数能够很好地控制共振问题。本文还通过提出通过阻尼器来减少共振问题的发生在直升机实际设计时可以综合两种阻尼器的不同组合方法和应用数量来找到最合理的应用方案。本文的理论希望能进一步得到实践应用。

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