直升机旋翼桨叶打尾梁的成因及预防

（海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛 266041）

海航某部曾发生过一起直升机旋翼桨叶撞击尾梁的事故，致使直升机尾减速器被打掉，尾桨传动轴被打断，旋翼桨叶多片严重损伤。该机当时在返场着陆时，因操纵不当，使直升机下降速度过大，导致机轮接地时产生严重的撞击，从而使旋翼桨叶在惯性力作用下向下挥舞，造成旋翼桨叶与尾梁的危险接近；着陆后，飞行员后拉驾驶杆采用了旋翼刹车，使旋翼锥体后倾。上述两种原因的共同作用，导致了直升机旋翼桨叶撞击尾梁事故的发生。[1]

本文就直升机使用过程中，旋翼桨叶与尾梁危险接近的成因及预防进行了分析，以期能为直升机飞行安全提供参考。

1 桨叶尖部与尾梁之间的距离

直升机旋翼桨叶的结构特点是在拉力平面内具有较大的柔性，因此，当桨叶不转动或转动较慢时，在受到强突风作用后，会引起桨叶尖部碰撞直升机尾梁的危险。所以，在设计直升机时，规定了旋翼桨毂（旋转平面）与尾梁之间的最小距离，同时也有由桨叶本身重量而产生的最大允许静绕度的限制。当旋翼加速转动过程中，由于惯性离心力的作用使桨叶很快甩平，使柔性桨叶的刚度增加，从而绕水平铰和垂直铰完成摆动运动。[2]

在正常使用的飞行条件中，桨叶由于受到较强的惯性离心力和空气阻尼的作用，其挥舞运动仅在一个较小的角度范围（βNmax−βNmin=10° ～15°）内。这小于挥舞运动允许的范围（∆βN=30° ～35°），该范围是由水平铰机械限动器的结构限制的。所以，直升机在飞行中，通常不会发生桨叶根部同水平铰限动器相接触的情况。然而，在某些极端条件下，桨叶的挥舞运动可能不符合这个规律，比如，在较强的外界作用（强突风、驾驶员粗猛的操纵动作、直升机急剧倾斜等）下，桨叶根部开始与水平铰限动器接触。假若桨叶是绝对刚体，限动器将阻止桨叶的挥舞运动。然而，实际上桨叶具有较大的柔性，因此，桨叶有弹性地绕过限动器，并最终达到一定的角度位置，就像限动器并不存在一样。所以，在对旋翼桨叶锥体动力学作近似分析时，可以不考虑水平铰限动器，在桨叶接触限动器以前，认为是绝对刚硬的，接触以后是绝对柔软的，这种简化处理不会引起桨叶尖部运动轨迹的显著变化。由此可见，在上述极端飞行条件下，单旋翼直升机桨叶尖部可能会发生与尾梁的危险接近、甚至碰撞。

图1 桨叶与尾梁的距离

由图1，直升机桨叶尖部与尾梁之间的距离δ，主要取决于两个因素：一是旋翼结构转动平面与尾梁上部之间的距离A，二是方位角ψN=0处的桨叶挥舞角 β0，即 δ=A+Rβ0，其中，R为桨叶半径。

桨叶挥舞角βN=a0−a1cosψN−b1sinψN，因此，在ψN=0时的桨叶挥舞角 β0=a0−a1。其中，锥体平均角 a0和纵向平面内旋翼锥体向后的偏转角 a1决定于公式：

式中：γN为桨叶质量特性；µ为旋翼工作状态特性；为挥舞补偿系数；ω为转动频率；ωx、ωz为相对机体纵轴、横轴的转动频率；ϕэ为当量旋翼的总距；λ为流过旋翼的入流系数；ϑ为自动倾斜器纵向偏角。

式中：1D为旋翼锥体轴线偏转角同自动倾斜器偏转角间的传动比；

2 旋翼桨叶与尾梁的危险接近

对于给定旋翼结构参数和起始飞行状态运动学参数的具体直升机，使旋翼桨叶同尾梁危险接近的主要影响因素有3个：一是自动倾斜器向后偏转；二是法向过载减小（旋翼总距或攻角减小）；三是操纵直升机旋转。而旋翼转速的减小和直升机飞行速度的增加，则是这种情况的促进因素。故飞行中存在2种主要的使桨叶接近尾梁的危险飞行状态：[3]

1）滑行状态——按飞机方式降落的结束阶段，此时“桨距—油门”杆在低距位置，当直升机前轮接地以后，认为ωz≈0，因此，在最小旋翼锥体角时自动倾斜器向后偏转，是确定桨叶同尾梁接近的决定性因素。[4]

在滑行开始阶段后拉驾驶杆到限动器时，直升机运动速度只有20～30 km/h，旋转桨叶尖部通过靠近尾梁上部的危险区（见图2），如果在这些条件下，直升机受到某个外界扰动附加的作用，例如下降突风（图2中的虚线，相应风速Wy=−5 m/s，滑行速度V=25 km/h）或不平的降落地带，就可能发生旋翼桨叶撞击尾梁。所以，为防止损坏直升机，在以上几种状态下应该采用机轮刹车。

图2 米8 旋翼桨叶尖部和尾梁间距离与自动倾斜器向后偏转角的关系

2）垂直机动飞行状态——进入急跃升、由俯冲中改出，同样需要自动倾斜器向后偏转，并使旋翼桨叶同尾梁靠近，这种情况的分析比较复杂，因为由于直升机俯仰转动、攻角变化，且同时旋翼总距和转速也在改变。

如果像飞行使用手册要求的那样，由平飞进入急跃升并保持“桨距一油门”杆不变，在任何飞行速度和高度下拉杆时，桨叶同尾梁不会发生危险的接触。这主要是旋翼阻尼特性的影响，直升机转动抬头时，桨尖旋转平面相对于旋翼轴向相反方向偏转——低头。换句话说，旋翼锥体和尾梁分开，像剪刀一样，向相反的方向分开一定的距离，从而减小了自动倾斜器向后偏转时桨叶同尾梁的接近程度。由此可见，迅速拉杆在飞行中比地面滑行时要安全，这是由于地面滑行时没有良好的旋翼阻尼作用。

在相同操纵作用下，对于直升机由俯冲改出时，桨叶与尾梁的靠近明显地增加。这是因为俯冲中旋翼的攻角和直升机的法向过载都要小于平飞状态，相应的旋翼平均锥体角也小，然而，如果在改出俯冲的瞬间，直升机处于俯仰平衡(ωz≈0)状态，桨叶撞击尾梁的实际危险同样不会发生。

机动飞行的最大危险发生在下述情况：如果俯冲中直升机同时又在转动(ωz＜0)，此时，驾驶员用力操纵驾驶杆以便改出俯冲。例如：驾驶员推杆进入俯冲或改出急跃升，随后，不等直升机下滑角稳定下来便急剧拉杆。这种情况可能出现在意外复杂的空中环境，例如，航线上发生了碍障（鸟群、低空机动飞行时的电线和其他）。[5]

在机动飞行的开始阶段，当俯冲中直升机还在转动时，因旋翼负攻角和阻尼特性影响的增加——桨叶锥体落后于旋翼轴的转动，向相反方向运动（即抬头），出现桨叶同尾梁的靠近。换句话说，旋翼锥体和尾梁运动是相对的——如剪刀咬合。此外，机动飞行时，旋翼转速可能下降，导致桨叶同水平铰接触时，桨叶的离心力刚度减少，在这种不利的综合因素（Hα、zω、ω的减少）时，如果又出现了桨叶靠近尾梁的决定因素——急剧拉杆，就可能发生桨叶撞击尾梁，桨叶同尾梁的接近随自动倾斜器向前偏转的保持时间τ的增加而增加（见图3）。

旋翼桨叶同尾梁的危险接近还可能发生在下述情况，直升机在大速度下为了很快减速，驾驶员有力地减小旋翼总距同时后拉杆，特别是当直升机机动飞行前进行这种操纵或者有大气紊流的作用（见图4），为了防止旋翼桨叶同尾梁不允许的靠近，在飞行手册中有驾驶直升机的相应限制和说明。[6]

图3 米8 桨尖和尾梁间距离与自动倾斜器向后偏转角的关系

图4 米8 桨尖和尾梁间距离与自动倾斜器偏转角和法向速度过载的关系

3 结论与建议

综上所述，为了防止直升机飞行过程中发生旋翼桨叶与尾梁的危险接近及共轴式双旋翼直升机桨叶间的碰撞，提出如下几点建议：

1）直升机以飞机方式下滑降落时，在滑行段应采用机轮刹车，而不能后拉驾驶杆用旋翼刹车，以避免旋翼桨叶与尾梁的危险接近。

2）机动飞行中，直升机进入急跃升或由俯冲中改出时，容易产生旋翼桨叶与尾梁的危险接近，应避免过猛的操纵动作。

3）直升机在大速度下很快减速时，易出现旋翼桨叶打尾梁的现象，特别是在不稳定气流中飞行时，所以，飞行中应严格执行飞行使用手册中的要求。

[1]普芬蒂R W.直升机性能及稳定性和操纵性[M].高正,施永立,陈文轩,译.北京:航空工业出版社,1990.

[2]傅百先.直升机实用飞行原理[M].北京:海潮出版社,1992.

[3]胡国才,孙建国,刘湘一.直升机舰面动力学分析模型[J].海军航空工程学院学报,2008,23(5):481-485.

[4]杨超,于黎明.直升机驾驶员参与操纵对人机系统影响分析[J].现代电子技术,2005(13):82-83.

[5]朱清华,孙强.直升机安全性及生存力技术[J].航空科学技术,2005(5):3-6.

[6]彭名华,张呈林.直升机总体参数对稳定性的影响研究[J].飞行力学,2009,27(1):70-73.