佘士严 徐云山 赵 辉 郭玉强

（1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国人民解放军95966 部队，黑龙江 哈尔滨 150060）

0 引言

基于系统工程的直升机研发设计不仅可以降低研发流程中的成本和风险，而且还可以增强对总体的宏观把控和设计的逻辑性[1]。为了解决在直升机型号研制实践中实物验证试验成本高、周期长的问题，研究虚拟仿真代替实物试验的可行性具有重要意义。

1 系统工程V 模型

系统工程作为一种贯穿大型复杂系统全生命周期研发阶段的方法论，广泛应用于航天、航空等工程领域。

狭义上的系统工程仅指将用户需求转化为系统产品的系统工程过程[2]。V 模型是狭义系统工程应用流程可视化表达的经典模型，如图1 所示。其作为系统工程实施的基础，V 模型的左侧自上而下对各层级的需求进行分解，逐层级完成系统设计、分析过程。V 模型的右侧自下而上完成各层级的集成和验证过程。V 模型侧重需求分析与用户需求反复迭代和演化的过程，采用V 模型研发直升机燃油系统可以保证成附件、子系统以及整个燃油系统始终满足整机要求，在论证和设计阶段具有指导意义[3]。

图1 系统工程V 模型

直升机型号研制实践中通常将V 模型右侧的集成验证分为虚拟验证和实物验证2 种模式。采用实物验证需要搭建试验台架模拟真实飞行场景，不可避免地需要面对试验成本高、周期长的问题。采用高置信度的虚拟仿真方法对系统的功能逻辑和性能指标进行验证则可以大幅降低验证成本，缩短研制周期。

2 燃油系统工作原理

2.1 燃油系统组成

燃油系统的工作原理如图2 所示。其中，燃油箱贮存直升机任务剖面所规定的燃油，由1 号、2 号、3 号、4 号以及6 号油箱组成（2 号、3 号油箱为供油箱，1 号、4 号以及6 号油箱为储油箱）。

图2 燃油系统工作原理

油箱通气系统由外部通气管和内部通气管组成。1 号、4 号油箱分别通过外部通气管直接连通大气；2 号、3 号以及6 号油箱通过内部通气管与1 号、4 号油箱相连。

各油箱间通过下部连通管与上部连通管相连，使燃油可以在各油箱间的转输。底部连通管安装重力单向阀，只允许燃油从储油油箱流向供油油箱。

在4 号油箱后部右侧安装重力加油口和压力加油口，可以采用重力加油或压力加油的方式实现燃油箱加油以及部分燃油的压力抽油。

2.2 压力加油工况

当进行压力加油且达到所要加入的燃油量时，浮子阀工作切断压力加油开关，停止压力加油。如果压力加油无法正常切断，就可以通过溢流阀将多余燃油排出机外，避免油箱超压。当进行压力加油时，各油箱的加注顺序如下：首先，通过4 号油箱与6 号油箱间的下部连通管从4 号油箱流向6 号油箱。其次，燃油通过6 号油箱与2 号、3 号油箱间的下部连通管从6 号油箱流向2 号、3 号供油箱。最后，燃油通过2 号、3 号供油箱与1 号油箱间的上部连通管从供油箱流向1 号油箱。

在压力加油的过程中，油箱内部的空气压力应始终维持在安全阈值内，否则将破坏油箱结构，造成安全隐患。

2.3 正常飞行供油工况

燃油系统包括左、右2 套独立的供油系统，分别向1号发动机和2 号发动机供油。供油系统除了向发动机增压供油外，还为引射泵提供引射流。供油管路上安装了压力传感器，以监测供油压力。当发动机出现火警时，飞行员可以根据需要切断向发动机的燃油供应。

由于该型号的燃油箱沿机身航向分布，在正常飞行过程中可能会出现变化较大的航向燃油重心，因此需要精心设计燃油的消耗顺序，优先消耗远离直升机旋翼中心轴位置的油箱中的燃油，以确保航向燃油重心始终在安全的范围内。

3 燃油系统仿真分析

压力加油系统和供油系统是飞机燃油系统重要的子系统，利用虚拟仿真手段可以对压力加油和正常飞行供油过程进行仿真模拟，缩短研制周期，降低研发成本[4]。AMESim是一个应用于航空航天、车辆以及工程机械等多学科领域的包括流体、机械、电气以及控制等复杂系统建模和仿真的优选平台[5-6]。通过AMESim 仿真平台可以使用户更方便、更快速地对系统元件进行建模，不需要计算机编程以及推倒复杂的数学模型。

该文使用AMESim 软件，根据燃油系统工作原理搭建了直升机燃油系统模型，包括燃油箱、油箱连通管、油箱通气口和压力加油口等关键部件，如图3 所示。

图3 燃油系统AMESim 仿真模型

3.1 压力加油工况仿真

3.1.1 压力加油工况

采用真实工况下压力加油车的相关参数，压力加油流量为19.4 m3/h，压力加油压力为379211.63 Pa，加注燃油量为2616 L。

在模拟压力加油车向直升机压力加油的过程中，采集各油箱中燃油加注曲线和加注时间。

3.1.2 仿真结果及分析

通过仿真可以完整掌握压力加油过程中整个燃油系统的状态变化情况，包括各油箱内燃油量的变化、各油箱燃油的重心位置变化、油箱连通管以及通气管内部介质流动状态（包括流动介质类型、流向以及流量）等。

例如在第0 s、第100 s、第250 s 和第373 s 燃油箱箱中燃油的分布情况（如图4 所示）如下：1） 在第0 s，各燃油箱处于空状态，此时开始压力加油。2） 在第100 s，2 号、3号以及6 号油箱已加满，燃油继续加注到4 号油箱，同时又通过1 号油箱的高位连通管由2 号、3 号油箱流入1 号油箱。3） 在第250 s，1 号、2 号、3 号以及6 号油箱已加满，燃油继续加注到4 号油箱。4） 在第373 s，所有油箱全部加满。

图4 压力加油工况燃油加注情况

结合各油箱燃油量-时间变化曲线（如图5 所示）可知，当压力加油时，各油箱中燃油加注顺序符合第2.2 节描述的加油过程。在重力单向阀的作用下，同一时刻，相连油箱的液面高度基本相同，液面高度差由重力单向阀流阻决定。

图5 压力加油油箱燃油量曲线

由仿真计算结果可知，压力加油加满油的总时长为478 s，真实试验时加满油的时长为489 s，误差仅为11 s，满足工程精度要求。

3.2 正常飞行供油工况仿真

3.2.1 正常飞行供油工况

为了更真实地模拟正常飞行时燃油的消耗过程，根据外场试飞数据建立发动机的耗油模型。根据增压泵、切断阀等实物产品的实测数据定义AMESim 各相应元器件的性能参数。

按照正常飞行程序向发动机供油，采集各油箱中燃油消耗曲线和重心变化曲线。

3.2.2 仿真结果及分析

通过仿真可以完整掌握正常飞行过程中整个燃油系统的状态变化情况。

例如在第565 s、5565 s、6565 s以及8565 s 燃油系统的相关状态（如图6 所示）如下：1） 在第565 s，各油箱处于满油状态。2） 供油5565 s时，4 号、6 号油箱燃油基本耗尽。3） 供油6565 s 时，1 号油箱燃油消耗过半。4） 供油8565 s 时，各油箱燃油基本耗尽。

图6 正常飞行供油工况燃油消耗情况

结合各油箱的燃油量-时间变化曲线（如图7 所示）可知，当正常飞行时，各油箱中燃油的消耗顺序符合设计预期。

图7 正常飞行供油油箱燃油量曲线

4 试验结果对比

4.1 试验台搭建及试验程序

将燃油系统及其附属结构安装在试验台上（如图8 所示），执行压力加油试验程序：断开浮子阀开关，将燃油系统连通附属结构并固定在试验台上，再将试验台置于测试姿态。在1 号油箱和4 号油箱内部安装压力表，监测油箱内部压力。将压力加油进口处压力设置为379211.63 Pa，执行完整的地面压力加油过程，直至加满油。

图8 燃油系统试验台架搭建

压力加油结束后，执行正常供油试验程序：启动燃油泵，向发动机正常供油。当供油箱燃油液面降至燃油泵稳定吸油口坐标时，结束供油。实时采集每个油箱中显示的燃油量，以测算燃油重心数据。

4.2 对比分析

4.2.1 压力加油工况油箱内气压变化

分析压力加油过程中油箱内部气压变化的试验结果和仿真结果，分别如图9、图10 所示。

图9 油箱气压试验结果

图10 油箱气压仿真结果

对仿真结果和试验结果进行分析可以得到以下结果：1） 在压力加油的过程中，油箱内部气压变化的仿真结果曲线基本反映了实物试验结果曲线的特征。2） 对1 号油箱的气压峰值来说，仿真结果为15800 Pa，试验结果为17400 Pa，相对误差约为9.1%。对4 号油箱的气压峰值来说，仿真结果约为5500 Pa，试验结果为6000 Pa，相对误差为8.3%。3） 在300 s～400 s，4 号油箱气压为稳定值，仿真结果为2000 Pa，试验结果为2000 Pa。

根据上述分析结果可知，压力加油工况的仿真基本反映了实物试验的特征且仿真结果具有较高的置信度，具备代替实物试验的可能性。

4.2.2 正常飞行供油工况燃油重心变化

分析直升机正常飞行过程中燃油重心变化的仿真结果和试验结果，如图11 所示。

图11 燃油重心变化对比曲线

对仿真结果和试验结果进行分析可以得到以下2 个结论：1） 在正常飞行过程中，燃油重心变化的仿真结果曲线与试验结果曲线基本一致。2） 油箱中总燃油量为500 L～750 L时出现较小的偏差，误差最大值为100 mm，相对误差约为1.5%，完全满足工程精度要求。

根据上述对比分析结果可知，在正常飞行供油工况下，燃油重心变化的仿真结果与真实飞行场景基本一致，可以替代实物进行试验。

5 结语

该文以某型民用直升机地面压力加油和正常飞行供油工况为例，构建了燃油系统仿真模型，开展了虚拟仿真方法代替实物试验的可行性研究，结论如下：1） 在地面压力加油工况下，仿真所得的油箱中燃油加注顺序与实物试验结果基本一致；加油时间、油箱内气压变化的仿真结果与试验结果误差较小，基本反映了实物试验的真实运行状态，具备替代实物试验的可能性。2） 在正常飞行供油工况下，燃油重心变化的仿真结果与试验结果曲线基本一致，相对误差仅为1.5%，可以替代实物进行试验。