基于AMESim的直升机不可用燃油量分析

豆腾尧 赵立飞 黄 昆 赵 辉

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

0 引言

燃油系统作为直升机重要的组成部分之一，其作用是为直升机发动机和辅助动力单元在飞行全包线范围内，为其提供满足要求的燃油流量和燃油压力。在燃油系统中，不可用燃油意味着该部分重量无法提供给发动机，并且会浪费整体设计重量，此外不可用燃油量由于受到增压泵空间位置的影响，不可用燃油量过大需要重新布置增压泵位置，甚至重新设计油箱，因此油箱系统设计时要格外关注不可用油的重量，在设计过程中需要对不可用燃油量进行计算和优化。

根据适航条款及国军标对不可用燃油量的要求，不可用燃油量是指在最不利的供油条件下，不考虑燃油系统部件失效，发动机开始出现不正常工作时，供油油箱内剩余油量。计算最大不可用燃油量，通常采用切割油箱数模的方法，即基于燃油系统数模提取油箱内膜面，根据飞行包线得到最严酷供油状态下的直升机飞行姿态，对油箱内膜进行切割，得到最不利条件下的油面，根据此时油面计算不可用燃油量。其中，最不利供油条件受直升机俯仰角、滚转角和过载的影响。宋志强等人基于上述方法对某民用飞机的不可用燃油量进行了分析；赵士洋根据该方法，通过综合考虑过载、迎角、航迹俯仰角等对油面角的影响，对某商用飞机不可用燃油量展开了研究。

上述方法未考虑在动态供油过程中，过载、通气和飞行姿态等因素对油面的影响，在切割油箱过程中，改变增压泵位置则需要重新提取油箱内膜，设置切割平面，工作量较大。在AMESim软件中，油箱内膜数据可以导入计算模型中，可以在模型中调整吸油口位置坐标实现增压泵位置的调整，不需要重新提取模型，极大地减少了工作量，有助于完成设计工作。近年来，AMESim软件在航空领域燃油系统中得到了越来越广泛的应用。韩杨等人使用AMESim软件建立了燃油惰化系统模型，研究了进气流量、进气富氮气体浓度等因素对燃油箱氧气浓度的影响。谢丽梅等人使用AMESim软件计算了飞机加油管路压力冲击特性，对加油管路进行了风险分析。李波等人搭建了发动机燃油热管理系统AMESim模型，计算了发动机典型工况下，燃油热管理系统回油温度和喷嘴前温度，仿真结果与试验结果相差5℃以内，模型置信度很高。

以上研究表明，AMESim软件可以用于模拟燃油系统供油、通气等流体流动过程，结果准确性较高。因此，借助AMESim软件，本文以某直升机燃油系统为研究对象，在AMESim中建立了燃油系统模型，对直升机地面、悬停、平飞等状态下的动态供油过程进行了仿真计算，研究了不可用燃油量的变化规律。

1 燃油系统AMES im仿真模型

直升机燃油系统包括燃油箱子系统、供油子系统、通气子系统、回油子系统、压力加油等子系统。根据适航条款中的描述，不可用燃油量数据主要取决于直升机最严酷供油过程中飞行姿态以及增压泵能够稳定吸油的油面高度，对燃油系统进行简化，简化的燃油系统由燃油箱、增压泵、单向阀、供油管路、通气管路、压力传感器、发动机零部件组成，在AMESim元器件库中，选择相应元器件搭建供油仿真模型，如图1所示。

图1 AMESim燃油系统模型

2 不可用燃油量计算

2.1 地面状态不可用燃油量

在使用AMESim软件计算不可用燃油量时，除了需要设置直升机俯仰角、滚转角、加速度、过载等参数之外，还需要设置增压泵吸油位置，增压泵的吸油位置决定了增压泵能否保证发动机正常工作，增压泵吸油口介绍如图2所示。

图2 增压泵吸油区域介绍

根据增压泵厂家提供的数据，当燃油油面高于增压泵吸油口底部边缘5mm时可以确保为发动机提供稳定的燃油流量和燃油压力，因此在AMESim模型中，吸油口设置在吸油口底部边缘高5mm处。

地面停机姿态范围为俯仰角：0°～1.5°，横滚角0°，对停机状态下直升机供油过程进行计算，不可用燃油量（单位：kg）计算结果如表1所示。

表1 地面姿态下不可用燃油量

根据计算结果，随着俯仰角增加（低头为负，抬头为正），不可用燃油量出现下降趋势，这是由于增压泵布置在油箱靠后位置，随着直升机抬头，燃油集聚到附件盘后部，有利于增压泵吸油，不可用燃油量也随之降低。

2.2 悬停状态不可用燃油量

直升机悬停状态包括悬停和悬停加速，其中悬停姿态下，俯仰角范围为-17.5°～+17.5°，横滚角范围为-17.5°～+17.5°；悬停加速情况下，悬停加速度为0～2m/s，俯仰角-10.5°，横滚角为0°。首先计算悬停状态下不可用燃油量（单位：kg）。如表2所示。

表2 悬停状态下不可用燃油量

根据计算结果可知，在横滚角不变的情况下，随着俯仰角不断增加（直升机抬头过程），不可用燃油量出现先减后增的趋势，且不可用燃油量受俯仰角影响较大。根据增压泵在油箱中安装的空间位置，两个增压泵吸油口在油箱靠后的位置，在低头情况下，燃油积聚于油箱前侧，且随着低头角度增加，油液在油箱前部的截面面积不断增加，最终导致不可用燃油量出现明显增加趋势；而在抬头条件下，燃油积聚在油箱后部，油面淹没了吸油口，有利于增压泵吸油，因此随着抬头角度的增加，不可用燃油量同样出现增加趋势，但变化不显著。根据计算结果，在抬头角2.5°附近，油箱内燃油液面有利于增压泵吸油，不可用燃油量较小。

在俯仰角一定的条件下，随着横滚角不断增加，不可用燃油量同样呈现先减小后增加的趋势，由于增压泵在左右方向呈对称分布，因此横滚角对不可用燃油量的影响较小。

计算悬停加速情况下的不可用燃油量（单位：kg），结果如表3所示。

表3 悬停加速情况下的不可用燃油量

根据计算结果，随着加速度不断增加，不可用燃油量不断减小，在低头情况下，随着直升机加速度增加，油箱内燃油形成的液面倾角增加，油面向油箱后部延伸，有利于增压泵吸油，因此不可用燃油量随着加速度增加不断减少。

2.3 飞行状态不可用燃油量

根据飞行包线，直升机前飞姿态为俯仰角-10.4°，滚转角为0，后飞姿态下，直升机俯仰角6°，滚转角为0，前飞与后飞过载系数均在0～2.5之间，以此为条件，计算直升机在飞行状态下的不可用燃油量（单位：kg），计算结果如表4所示。

表4 飞行状态下不可用燃油量

根据计算结果，在低头前飞姿态下，随着过载系数不断增加，不可用燃油量不断减少，说明在燃油积聚在油箱前部时，增加过载使得燃油油面倾角减小，油面向后部延伸，有利于增压泵吸油。在抬头情况下，过载对不可用燃油量几乎没有影响，此时燃油积聚于油箱后部，有利于增压泵吸油，因此过载对此时油面倾角影响不明显。

3 结语

在燃油系统设计过程中，不可用燃油量的计算会影响整个油箱内部部件的布置，如果不可用燃油量较多，可能需要重新设计燃油箱结构，此外不可用燃油量也会影响飞行安全，当油量较低时，选择合适的飞行姿态有利于增加飞行时间，因此不可用燃油量的计算在燃油系统整个设计过程中十分重要。

本文以某直升机燃油系统为研究对象，使用AMESim软件建立了简化的燃油系统模型，分别对直升机地面状态、悬停状态和飞行状态的不可用燃油量进行了计算，计算结果表明，随着俯仰角与滚转角增加，不可用燃油量呈现先减后增的趋势，在增压泵空间布置偏后的情况下，小角度抬头与加速有利于减少不可用燃油量，而过载因素有利于减少低头姿态下的不可用燃油量，对抬头姿态影响不明显。