直升机地面共振的奥秘

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 直升机地面共振的奥秘 记：2012 年 2 月 23 日，巴西一 架 AS350B 救援直升机在北部帕拉州着 陆时机身突然发生断裂，在场的救援队 工作人员拍下了这一幕，经电视和网络 传播后，引起了很大反响。巴西官方人 员认为，这起事故是直升机地面共振导 致的。对于直升机地面共振，您能否谈 谈其中的缘由和奥秘？ 中国论文网 /8/view-12896675.htm 刘：“ 地面共振” 是直升机在地面 试车、滑行、垂直起落和滑跑起落过程 中，受到一定的初始干扰之后，突然发 生摇晃、振动迅速增大的一种强烈振动 现象。地面共振是一种危害较大的特殊 情况，如不及时处置，往往会造成严重 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 事故。通过视频我们看到，巴西那架救 援直升机着陆时，旋翼还在高速转动， 机身却突然发生断裂，内行人士一看就 会断定是一起地面共振事故。 记：中学物理课对于共振已有介 绍，但人们对直升机地面共振还比较陌 生，您能详细介绍一下吗？ 刘：直升机地面共振属于机械共 振，许多机械共振是有害的。共振是物 理学上的一个运用频率非常高的专业术 语，其定义是两个振动频率相同的物体， 当一个发生振动时，引起另一个物体振 动的现象。共振在声学中也称“共鸣” ， 它指的是物体因共振而发声的现象，如 两个频率相同的音叉靠近，其中一个振 动发声时，另一个也会发声。在电学中， 振荡电路的共振现象称为“谐振” 。我们 生活的周围时时处处都存在共振现象。 由机械共振带来灾难的著名事例 莫过于几起桥梁垮塌事故了。18 世纪中 叶的一天，一队法国士兵要经过昂热市 一座 102 米长的大桥，当他们在指挥官 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的口令下迈着整齐的步伐行至大桥上时， 桥梁突然断裂，造成 226 名官兵和行人 丧生。类似的事件还发生在 1906 年， 一队俄国士兵迈着整齐的步伐，踏上了 圣彼得堡附近的丰坦卡大桥，大桥突然 垮塌，桥上士兵全部坠入河中，非死即 伤。原来，士兵列队过桥使用整齐步伐 （齐步、正步或跑步）的频率与大桥的 固有频率相同，引起大桥发生共振，剧 烈的振荡导致大桥解体。同样原因引起 大桥垮塌的事故还先后在其他国家发生 过。认识到事故原因后，许多国家军队 都作出了“集体通过桥梁时必须走便步” 的规定。 直升机发生地面共振的内因，与 大桥垮塌同理。因为在直升机上存在两 个相互关联的振动系统，一个是旋翼桨 叶的摆振运动，一个是机身在起落架上 的振动。机身在起落架上的振动共有六 个振动型态，即上下、左右、前后、俯 仰、偏转、滚转，除上下振型外，其它 五种振型都可能产生地面共振。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 记：直升机发生地面共振的具体 原因是什么？ 刘：直升机发生地面共振的外因 是直升机受到了某种初始干扰。比如， 操纵直升机的动作粗猛，装有轮式起落 架的直升机在大侧风中滑行、直升机在 不平坦的地面上滑跑颠簸，滑行速度过 大等等，这些因素都有可能使直升机产 生共振。 桨叶在上述外界干扰力的作用下， 将发生剧烈的摆振运动，虽然旋翼上装 有液压减摆器或其他减摆装置，但旋翼 的运动和受力非常复杂，桨叶的摆振不 可能均匀，所以旋翼重心就会偏离桨毂 中心，产生不平衡的惯性离心力，此力 的方向不断变化，作为系统的激振力， 引起直升机在起落架上发生振动。 在某种情况下，激振力的频率与 机身某一振型的自振频率相同或相近时， 如果振动阻尼又比较小，则摆振与机身 振动会发生不良耦合，相互加剧，激振 力受到振动系统本身的控制，一次比一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 次强，导致振幅一次比一次大，机身的 振动也就越来越剧烈，这样就形成了地 面共振。通常地面共振以滚转振型出现 的较多。 如果上述两个频率相差较大，或 者阻尼较大，则激振力一次比一次弱， 振幅一次比一次小，就不会发生地面共 振。 记：直升机地面共振是不是经常 发生和很容易发生？ 刘：比较容易发生，但不经常发 生。因为预防地面共振是直升机飞行原 理课程的重要内容，正规的直升机驾驶 员培训机构都要求驾驶员在转入飞行训 练之前，必须在理论上弄清地面共振发 生的机理，掌握预防、判断和处置方法。 在上世纪 70 年代，空军某直升机大队 一架直 5 直升机在地面试车时，就因为 地面共振加上处置不当，造成直升机损 毁，幸好没有人员伤亡。时间虽然已经 过去了 30 多年，但每当谈及此次事故， 那些目击者还会非常惊讶和惋惜，他们 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 说：“好端端的一架直升机，眨眼之间 就四分五裂，变成了一堆残骸，太可惜 了！” 在互联网上，通过搜索引擎，输 入“直升机地面共振实验 ”关键词，可以 搜索到“CH-47 支奴干直升机地面共 振”视频，那个场景会让初识直升机地 面共振的人目瞪口呆。如果拿 2 月 23 日巴西救援直升机发生的地面共振与 “支奴干”直升机地面共振相比，那真有 小巫见大巫的感觉。总而言之，如果飞 行员预防工作没做好，出现操纵错误， 判断不准确，加上处置不及时，就有可 能诱发直升机地面共振，最终导致事故。 记：具体说来，要预防和正确处 置直升机地面共振，需要做好哪些工作？ 刘：先说说预防。避免地面共振 的根本方法就是消除或减弱产生地面共 振的内因和外因。一是轮式起落架缓冲 器（减震器）充填量和轮胎的充气压力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 应符合规定要求，左右起落架的充填量 应对称。缓冲器分为上下两部分，上部 分为压缩气体室，下部分为液压油室， 气体具有压缩性，液压油不可压缩。充 气压力符合规定的缓冲器和轮胎内的气 体具有压缩性即弹性，使直升机接地时， 能像跳高运动员越竿后掉到海绵垫上那 样，延长下沉速度消失的时间，吸收掉 直升机着陆时机体受到的大部分撞击力 和震动能量，消除产生共振的隐患。当 压缩气体的压力达到足以顶起整个直升 机时，缓冲器下部液压油室的油液被迫 通过限流孔高速流入上部的压缩气体室， 这种限流作用使油液与限流孔剧烈摩擦， 产生热耗，将直升机颠簸的动能转化为 热能散发到大气中，以此来减弱直升机 滑跑中的颠簸跳动。二是应尽量避免直 升机受到过大外界干扰力的作用。为此， 着陆动作要柔和，不宜作距离过长的滑 行，不宜在坎坷不平的地面上滑行，机 内装载物要固定牢靠。三是滑行、起飞 滑跑和着陆滑跑速度不要超过规定值。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 有的直升机上还设置有振动速度 过大和危险振动告警装置。当振动速度 达到一定值时，通过灯光和语音告警， 提示飞行员及时进行处置，防止振动现 象扩大和发展成共振。 再说说处置，关键要使旋翼产生 的激振力频率避开全机的固有频率，为 此必须抓住两点：一是试车时如果发现 有地面共振的现象，应迅速将总距杆放 到底，对于装有油门环的直升机，应将 油门环转至最左位置，减少燃油供应量， 降低发动机功率。总距杆是旋翼总桨距 和发动机联合操纵线系的操纵手柄，它 类似于手动档汽车的档把，装在飞行员 座椅左侧地板上，顶端朝前。总距杆放 到底时，基本上与地板平行，上提到最 高时，角度大约有 50 度。有油门环的 直升机，油门环就套装在总距杆上部。 在操纵总距杆时，一方面通过发动机操 纵线系改变燃油供油量，使发动机功率 得到改变；另一方面它还带动总桨距操 纵线系的一系列拉杆和摇臂，经过操纵 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 组合件，操纵相应的液压助力器，带动 自动倾斜器向上或向下运动，改变总桨 距。上提总距杆时，总桨距和发动机功 率同时增大，下放时则相反。将总距杆 迅速放到底，既能很快减小总桨距，进 而减小旋翼的拉力（升力） ，又能很快 减小发动机的功率，使直升机的振源明 显减弱。对于装有滑橇式起落架的直升 机来说，通过迅速将总距杆放到底非常 重要，这是避免发生地面共振的最有效 措施。二是装有轮式起落架的直升机在 着陆滑跑、起飞滑跑和滑行时发生地面 共振，还应向后拉驾驶杆（至接近中立 位置）以减小速度，并使用机轮刹车。 如采取上述措施仍不能消除剧烈振动， 则应果断关闭发动机。 记：这次巴西失事直升机为滑橇 式起落架，采用这种结构是否很容易发 生地面共振？ 刘：不一定。装滑橇起落架 的直升机一般为轻型和小型直升机，虽 然只能采用垂直着陆，但它的滑橇前横 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 管与机体结构之间都装有油气式减震器， 有的在滑橇后部还装有挠性钢带（弹簧 板） ，向下弯曲延伸的挠性钢带增加了 起落架的挠性，并且以在任何情况下都 不发生地面共振的方式把组件的自然频 率固定。减震器用来吸收直升机接地后 的振动能量，因而消除了任何振荡的扩 散。减震器和弹簧板的减震及缓冲作用， 能够吸收大量撞击动能，延长直升机下 沉速度消失的时间，使滑橇式直升机能 以“软着陆”方式接地，减少共振发生的 几率。直升机会不会发生地面共振，关 键还是要看激励振动即旋翼桨叶的摆振 运动频率与机身固有振动频率是否相近。 当两者相近或相等时，就会发生地面共 振。 记：既然共振无处不在，直升机 在空中飞行时是否也可能发生共振？ 刘：完全可能。但空中共振是随 无铰式旋翼的应用才出现的一种新现象。 与地面共振相比，空中共振要复杂得多， 它是直升机动力学分析中最复杂的问题。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 分析空中共振时，必须考虑桨叶的挥舞、 摆振甚至扭转（变距） ，还要考虑机体 的运动，而这些运动自由度之间又存在 着复杂的耦合关系。除此以外，空气动 力的作用也使得问题更加复杂。 在铰接式旋翼系统中，因为旋翼 系统的挥舞刚度低，相应的机体固有频 率也低，所以空中共振一般不会发生。 由无铰旋翼倾斜而出现的很大的桨毂力 矩会引起机身振动，尽管直升机在空中 时有很大的阻尼，但不足以满足稳定状 态的要求，其振动频率容易接近桨叶的 摆振频率，产生耦合，导致空中共振。 记：既然无铰式旋翼容易产生共 振，为什么还采用这种结构呢？ 刘：无铰式(固接式)是取消水平 铰和垂直铰，只保留轴向铰。其挥舞和 摆振将引起桨叶根部的弯曲变形，这是 不利的一面，但简化了构造。目前由于 应用了复合材料和钛合金等抗疲劳强度 高的材料，这种形式的旋翼逐渐增多。 直 9 直升机就是无铰式旋翼。旋 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 翼系统采用星形桨毂和 4 片复合材料桨 叶。桨毂由预浸树脂的玻璃布加热固化 制成。用橡胶与钢片叠层模压而成的弹 性轴承代替了传统的摆振铰、挥舞铰和 变距铰。与传统金属桨毂相比，采用星 形柔性桨毂后大大地减少了零件、轴承、 接头数量和润滑点，减轻了重量，降低 了成本，也减少了维护工作量。 责任编辑：京勉 刘文1960 年 11 月出生， 专业技术大