王 莉，陈立霞，汪正中

(1.中国航空工业集团有限公司 科技发展部，北京 100028；2.中国直升机设计研究所 直升机旋翼动力学重点实验室，江西 景德镇 333001)

0 引言

海洋拥有巨大的经济价值和战略意义，随着海洋经济的发展以及军事需求的增加，海上飞行活动日益频繁，提高海上飞行的安全性和救生能力问题也越来越受到人们的重视。根据适航[1]和国军标[2]的要求，在离岸50海里水上使用的航空器，为了保证人员和设备的安全，必须满足水上迫降的要求。美国的咨询通报[3]要求申请水上迫降的直升机在进行飞行试验之前，为了保证安全，必须用可靠的理论分析方法或模型水动试验来表明直升机具有着水能力。而CCAR29部的第29.563条规定“在整个着水撞击过程中，作用于重心的旋翼升力不得大于最大设计重量的三分之二”，因此，开展模型水动试验的三分之二升力模拟研究十分必要。

国外对于直升机的水上迫降试验技术研究开展较早，英国、美国等国家一直在开展直升机迫降与漂浮特性所需的建模技术、试验技术以及试验设施的研究。20世纪80年代，韦斯特兰航空公司针对EH101型直升机开展了缩比模型试验[4]，在模型上安装缩比旋翼以产生相当于2/3的校准拉力，表明了EH101具有良好的水上迫降特性。1986年，英国地效飞行器公司对V-22“鱼鹰”的1:12缩比模型进行了水上迫降性能试验[5]，由动力驱动两副同步旋翼以便在迫降试验中模拟升力。

中国特种飞行器研究所开展过K27直升机应急浮囊着水冲击载荷试验[6]，通过定制两根弹力合适的长弹簧，确定模型在投放到接水瞬间弹簧的伸长量刚好能产生三分之二模型重量的升力。在某对俄合作项目中，为验证国内直升机模型着水载荷试验能力，在中国特种飞行器研究所进行了刚性浮筒缩比模型的入水试验[7]，但该试验中并未模拟三分之二升力。

本文针对直升机缩比模型着水试验的卸载式旋翼升力模拟技术，开发设计了新的试验卸载装置，探索了新的试验方法，开展了重复性试验，通过试验数据的对比验证了试验装置和试验方法的可行性和可靠性，可应用于直升机缩比模型的水上迫降适航取证试验。

1 旋翼升力模拟技术方案选择

在直升机水上迫降升力模拟技术中存在两个关键因素：一是模拟旋翼升力的方向要始终通过重心；二是要保证准确模拟升力的大小。以国内外现有研究情况来看，在民用直升机水上迫降升力模拟研究中多采用以下几种方法开展升力模拟研究：卸载式旋翼升力模拟技术、缩比旋翼升力模拟技术和重量扣除式升力模拟技术。

1.1 卸载式旋翼升力模拟技术

卸载式升力模拟主要是在模型上通过卸载装置给模型施加一个模拟升力，通过滑轮装置直接将卸载与模型连接，模型在投下过程中，卸载跟随模型一起运动。此方式在中国特种飞行器研究所在研型号“AG600”无动力模型的水动力性能试验中多次应用。卸载式旋翼升力模拟装置原理示意图如图1所示。

图1 卸载式旋翼升力模拟装置原理示意图

考虑到直升机模型水上迫降试验的特殊性，卸载式升力模拟装置应进行重新设计和改进：主要解决卸载装置与模型投放装置之间的干涉、卸载装置对模型运动状态的影响等问题。

1.2 缩比旋翼升力模拟技术

缩比旋翼升力模拟方法是指通过加工缩比的旋翼，通过模型内部或者外部动力装置来驱动螺旋桨转动以产生直升机水上迫降所需要的模型重量三分之二的旋翼升力。具体原理示意图如图2所示。

图2 缩比旋翼升力模拟方式原理图

该试验方案主要有三个缺点：一是旋翼的轴系设计较为复杂，既要实现旋翼的共轴对转，还要使轴系能与投放装置完全匹配，保证试验的顺利进行；二是轴系与动力系统安装在模型内部，占用了模型的内部空间和重量。而且轴系的安装需要专门设计对应的安装接口，这也对模型的设计提出了更高的要求。

1.3 重量扣除式升力模拟技术

重量扣除式升力模拟技术是指通过直接减轻模型重量的方式，将模型着水重量减少至模型试验所需重量的三分之一，直接以减轻的重量作为模拟的三分之二的旋翼升力。这种方法最为直接和方便，既不需要使用卸载装置，也不需要旋翼装置，不需要改动模型投放装置，而且模拟的升力十分准确。但是这恰恰也是实施起来难度最大的一项方案，因为直升机的水上迫降试验模型不同于航模和其它类的自由飞模型，除了对模型的外形有严格要求以外，还要求模型具有一定的结构强度，撞水部位还应具有一定的刚度，最好能与实机的相似。以现有的复合材料和模型加工工艺技术来看，研制缩比模型且重量为缩小后的三分之一以内几乎是不可能的事情。

1.4 选定的旋翼升力模拟技术方案

三种方法的关键技术研究点不同，开发使用的试验装置、试验方法也不相同，技术难易度也不相同。相比较而言：

卸载式旋翼升力模拟技术相对更容易实现，其试验装置开发难度最小，而且对于升力的模拟更为准确。缩比旋翼式升力模拟技术试验装置开发难度最大，一是国内外没有相关的技术资料，二是受到模型尺寸和重量的限制。旋翼轴系和齿轮都得重新开发设计、选择材料以及加工，而且还要结合试验情况进行修改。试验过程中由于装置集成在模型内部，外部没有多余附加装置，对模型运动情况不造成干扰。重量扣除式升力模拟技术是最难实现的，以现有的模型材料和加工工艺还不能达到要求。后续可以考虑研究新的模型设计方法，引入更轻的复合材料，采用更轻量化的设备进行。

因此，最终选定卸载式旋翼升力模拟技术应用于直升机缩比模型着水试验。

2 基于卸载式旋翼升力模拟技术的直升机缩比模型着水试验

卸载式旋翼升力模拟技术研究过程中的关键技术有以下几点：①三分之二旋翼升力大小的准确模拟；②卸载装置开发与设计；③卸载式旋翼升力模拟试验方法的探索与研究。

为了解决三分之二旋翼升力大小的准确模拟，采用了卸载通过滑轮、钢索与模型直连的方式，卸载采用标准砝码，保证了模型三分之二旋翼升力大小的准确模拟。同时，为了保证旋翼升力始终过重心，将模型上的卸载杆设计为铰链形式，可以360°自由转动，这样就保证了模型在下落入水运动过程中卸载力始终垂直向上。

卸载装置的开发与设计主要解决卸载装置和模型投放装置的干涉问题。采用了卸载平均分挂在模型上卸载杆的两端的方法，避免安装过程中与投放装置干涉。同时将卸载滑轮分两边固定在线性滑块上，避免模型在下落着水后向拖车后部运动的过程中与投放装置干涉。为使卸载装置对模型运动不造成干扰，采取了模型投放入水向后运动过程中卸载与模型分离的方式，既保证了模型下落过程中旋翼升力的准确模拟，又保证模型运动的真实性和安全性。

试验方法主要结合已有的直升机水上迫降试验技术和相关试验经验开展；试验步骤参照模型的水上迫降试验开展；测试系统、测试方法及数据处理也参照相关试验进行。

2.1 试验方案设计

卸载式旋翼升力模拟技术实施过程中主要针对卸载装置和投放装置进行了深入研究和优化改进，整个方案实施内容具体如下：

卸载装置包括：线性滑轨、线性滑块、卸载滑轮、卸载钢索和卸载块、模型上的卸载安装座。卸载安装座实物见图3。

图3 卸载安装座实物

图中黑色杆为模型卸载杆，两端连接卸载钢丝。卸载杆通过轴承与模型试验安装板连接。卸载杆可以自由转动以保证卸载力在下落过程中始终通过模型重心且垂直向上。经多方面综合考虑(模型密封、结构完整和安全性等)，将卸载杆上移至安装板上。

投放装置包括：电磁钩、模型固定装置、模型姿态调节装置。投放装置实物图见图4。

图4 卸载式旋翼升力模拟方案投放装置

同时，为避免试验过程中出现模型倾覆的情况，对该技术进行了改进和优化：新试验装置多了一套电磁脱离系统，钢索与卸载杆之间增加了一块电磁铁；为防止卸载脱离后砸坏模型，增加了卸载限位下落装置。电磁铁分离控制开关安装在拖车测桥上，触发开关安装在线性滑块上。电磁铁电源线留有足够余量保障滑块前后运动不受干涉。优化试验方案后，试验顺利完成，试验过程中既保证了模型在下落入水过程中始终带有过重心的三分之二升力，又保证模型完成入水后能及时与拖车分离，不造成模型损伤。试验模型安装示意图如图5所示。

图5 卸载式旋翼升力模拟试验模型安装图

此方案的创新点有以下两点：

1) 三分之二旋翼升力的大小模拟准确，升力方向过重心；

2) 模型投放后，在着水向后运动的过程中卸载装置会与模型分离。

该试验方案测量的主要参数为：机身俯仰角、机身首部的垂向过载和机身着水压力。

2.2 试验件

试验模型缩比模型主要包括机体缩比模型和浮筒缩比模型，其参数符合原机按照缩比比例(λ=1/7.5)关系换算后的结果。模型重量重心及转动惯量见表1，机身坐标系定义见图6，模型外形见图7。

表1 模型重量重心及转动惯量

图6 机身坐标系定义(Z轴方向由右手定则判定)

图7 模型实物图

2.3 试验步骤

基于卸载式旋翼升力模拟技术的直升机缩比模型着水试验按照以下步骤开展：

1) 模型附件安装，包括浮囊、安装板、卸载装置、机载传感器和测试设备；

2) 模型重量、重心、惯量调试；

3) 安装模型投放装置及卸载装置(线性滑轨、线性滑块、滑轮)；

4) 闭合电磁钩吊装模型，电磁铁通电连接卸载装置；

5) 调整模型投放装置使模型俯仰角、横滚角满足试验要求；

6) 打开测试系统电源，预热5分钟，进入等待触发采集状态；

7) 启动拖车，触发采集系统开始记录数据，拖车上录像系统同步启动，记录试验过程；

8) 拖车速度稳定后，打开电磁钩，投下模型；

9) 打捞回收模型至船坞，读取模型试验数据，填写试验记录表；

10) 检查模型状态，如正常直接重复步骤1-9，如遇异常情况及时处理后，调整模型状态至正常后重复步骤1-9。

2.4 试验结果

为验证试验的安全性和考察试验系统的运行情况，进行了模型三分之二升力卸载试验。模型前飞速度为5.63m/s ，投放高度为15mm，浮囊压力为10kPa。该工况进行了三次重复投放，试验现场如图8所示。对此工况中三次重复试验的数据进行了对比分析，主要对比了俯仰角变化曲线、首垂过载变化曲线和典型压力变化曲线，具体如图9-图11。

图8 试验现场

图9 俯仰角变化曲线对比图

图10 首垂过载变化曲线对比图

图11 压力变化曲线对比图

对比试验曲线发现，三次试验的俯仰角变化、首垂过载变化以及典型压力点压力变化无论是在变化规律、趋势还是峰值点上都十分接近，表明了三次试验有很好的重复性，直接证明了卸载式旋翼升力模拟方法的可行性、可重复性和可靠性。

3 结论

针对适航规章提出的直升机缩比模型水上迫降试验中三分之二重量旋翼升力模拟的要求，对卸载式旋翼升力模拟、缩比旋翼升力模拟和重量扣除式升力模拟三种方案进行了对比分析，得到以下结论：

1) 卸载式旋翼升力模拟技术具有试验装置简单易实现、旋翼升力模拟简单准确、试验方法简单可靠、试验数据重复性好等多方面优点，更适用于直升机模型水上迫降试验；

2) 卸载式旋翼升力模拟技术能够准确模拟三分之二旋翼升力的大小,升力方向过重心，符合规章条款要求，且模型在投放后的运动过程中卸载装置会与模型分离，不会干扰试验过程；

3) 针对卸载式旋翼升力模拟技术，设计了新的试验卸载装置，探索了新的试验方法，并开展了重复性试验，通过试验现象和试验数据的对比验证了试验装置和试验方法的可行性和可靠性；

4) 建立的卸载式旋翼升力模拟技术，能够用于直升机缩比模型水上迫降适航取证试验，为国内民用直升机水上迫降适航取证提供技术支撑。