直升机应急漂浮静稳定性计算分析

关键词：应急漂浮;完整稳性;破舱稳性

中图法分类号：V275 文献标识码：A

1引言

直升机作为具有稳定悬停能力的旋翼飞行器，具有广泛的应用领域，其中近海的快速运输、海上搜救和消防直升机悬停取水等，都需要直升机在水上飞行。虽然直升机发生故障的概率随着设计制造技术的进步大大减少，但飞行架次与时间的增多，整体发生事故的架次数不会减少。当直升机在水面上飞行发生故障需要迫降时，就需要直升机的应急漂浮系统发挥作用，使直升机具有足够的漂浮稳定性，留给机组人员足够的逃生时间。

直升机的漂浮稳定性分析多采用理论与试验相结合的方法，汪正中、马玉杰[1]建立了直升机的横向稳性计算方法，并完成了某型直升机的漂浮特性试验;陈彬、殷士辉[2]以三维势流理论为依据，建立了直升机的漂浮稳定性计算方法，对漂浮姿态、横向稳定性、耐波性以及抗风浪等级进行评估，并将计算结果和试验结果进行对比;江婷[3]等以模型试验为基础，验证了规则波条件和自由漂浮状态下直升机的漂浮特性。

本文通过水动力常用软件MOSES对样例直升机及两种应急漂浮设计方案进行计算，分析其静水力条件下，不同风速下的完整稳性与破舱稳性。

2方案设计与模型建立

直升机上部各构件不提供浮力，为方便计算，对直升机模型进行了简化处理，即去掉上部旋翼、发动机、尾桨，建立响应迎风面，只保留机身与浮筒，忽略机身外部小设备，假定机体密封性良好，浮筒受到挤压不发生变形，完成的机身计算模型如图1所示。

对于应急漂浮系统，通常采用充气浮筒提供额外浮力，本文设定单一大浮筒和分散多浮筒两种应急漂浮方案。浮筒设置方案一的单一大浮筒，在机体两侧各设置一个长为2.5m、半径为0.35m的圆柱形浮筒，计算漂浮状态时，浮筒为充满气打开状态，简化后的模型如图2所示。

方案二为分散多浮筒，机体两侧布置有一前一后长为1.2m、半径为0.35m的两个浮筒，简化后的模型如图3所示。

3完整稳性分析

本文是对直升机进行静稳定性分析，因此假设直升机处于静水条件下[4]，直升机在静水力的作用下，水线面为一水平面，仅有风力作为外部作用力，依据船体计算经验，横倾方向，倾覆的可能性最高，故本文只考虑横倾。在静水稳定性计算中，最重要的结果是初稳性高。参考船舶原理[5]初稳性高即直升机型心至重心的距离，初稳性高越大，则结构物的静水稳定性越好，反之，结构物在静水中的稳定性就较差。漂浮物倾斜稳性计算如图4所示。

对三组模型进行横倾的稳性计算，由于初稳性高为直升机型心至重心的距离，与受到的外力无关，故同一模型在各个风速条件下的初稳性高结果相同，计算结果如表1所示。

参考海上平台的审定要求[6]，经自由液面修正后的初稳性高度应不小于0.15m。表1中初稳性高均大于0.15m，说明在三组状态下，机体均能保证在静水漂浮下的完整稳定性，能抵抗一定的倾覆力矩。应急漂浮系统方案一与方案二都能提高机体的静稳定性，方案一更有优势。

为了更进一步反映的静水漂浮稳定性，通常采用静稳性曲线来表示，静稳性曲线横坐标为横倾角，纵坐标为力矩，参考船舶漂浮稳性理论，当直升机漂浮于水面时，恢复力臂曲线大于倾覆力臂曲线时，直升机能抵抗倾覆，具有可靠的漂浮静稳定性（图5）。

无风环境下，由计算得到的初稳性高可知样例直升机具有足够的完整稳性，但当风倾力矩大于机体自身的复原力矩时，机体会发生倾覆，对运输人员造成无法挽回的伤害。因此，对三组模型在10～70kn风速影响下的复原力矩曲线与风倾力矩曲线进行计算，得到各状态各风速条件下的静水力曲线如图6所示。

受篇幅所限，不罗列各状态的静水力曲线图。参考海洋平台的稳性要求，横摇角从零至第2交点或进水角处的复原力矩曲线下的面积中的较小者，至少应比至同一限定角处风倾力矩曲线下面积大40%，计算各状态的面积比，结果见表2。

由计算结果可知，光机身在风速大于60kn时，面积比小于1.4，不能提供足够的对抗倾覆的能力，方案一與方案二的应急漂浮设计明显提高直升机对抗倾覆的能力;随风速的增加，直升机的抗倾覆能力逐渐下降;方案一具有更高的静水力稳定性。

4破仓稳性分析

由于直升机不是用于水面漂浮的载体，仅在发生意外时提供有限的漂浮能力，故机体没有像船舶一样具有良好的水密性，需要考虑机体进水的稳定性。假定舱室进水，将机体简单划分为乘员舱与燃油舱，舱室外形如图7所示。

与完整稳性的计算相似，计算舱室破损后的静水力曲线如图8所示。

当机舱进水下沉后、受风力联合影响后，破损水线应低于可能导致发生继续进水的任何开口的下缘，才能继续提供足够的静水力稳性，即发生进水的横摇角与平衡状态的差值大于零，计算三组状态得到的差值结果如表3所示。

由计算结果可知，燃油舱进水时对机体的静水力稳性基本无影响（表4）;乘员舱进水时，光机身的进水角与平衡角差值小于零，不能提供足够稳性，直升机有倾覆沉没危险;两种应急漂浮方案都能提高机体的漂浮静稳定性，方案一给出的漂浮稳性效果更好。

5结语

利用直升机执行水面上的人员运输任务时，需要配备应急漂浮系统。本文对样例直升机的静水力完整稳性与破舱稳性进行计算，验证两种应急漂浮系统设计方案均具有可行性，其中方案一的单一大浮筒对机体的漂浮稳定性有更好的提升，但实际安装时还需考虑尺寸与结构要求，选择合适的应急漂浮系统方案。

作者简介：

张宝瑜（1994—），硕士，助理工程师，研究方向：直升机飞行品质。