CN112052427A

CN112052427A - 一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法

Info

Publication number: CN112052427A
Application number: CN202011028638.8A
Authority: CN
Inventors: 简成文; 王莹; 刘海; 吕乐丰
Original assignee: China Helicopter Research and Development Institute
Current assignee: China Helicopter Research and Development Institute
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112052427B

Abstract

本发明属于航空技术领域，公开了一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法。计算直升机倾覆稳定性和直升机侧滑稳定性。计算直升机侧滑稳定性包括计算直升机转动稳定性和直升机整体平动稳定性。计算结果用于指导直升机总体参数的确定，或者对直升机的使用状态进行限制，以保障舰上直升机及人员的安全。

Description

一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法。

背景技术

舰载直升机在舰船甲板上自由起降时，可能会存在一段时间的自由停放状态。为保证直升机在这段时间内不会侧滑或倾覆，必须对其停机稳定性进行计算，计算结果用于指导直升机总体参数的确定，或者对直升机的使用状态进行限制，以保障舰上直升机及人员的安全。目前国内对于直升机舰面自由停放稳定性的计算尚无公开资料可查，本发明提出了一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法。

发明内容

本发明的目的：提出一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，计算结果用于指导直升机总体参数的确定，或者对直升机的使用状态进行限制，以保障舰上直升机及人员的安全。

本发明的技术方案：

一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，包括：计算直升机倾覆稳定性和计算直升机侧滑稳定性。

进一步，所述计算直升机倾覆稳定性包括：计算直升机前轮和左、右轮垂向载荷；若直升机前轮和左、右轮垂向载荷均大于等于0，则直升机不倾覆；

对左右轮连线上y＝0的点B取距以求解前轮垂向载荷F_qz，

∑M_By＝M_windy+F_qz·|X_qB|+F_Gz·|X_GB|+F_Gx·|Z_GB|＝0；

对右轮r取距以求解左轮垂向载荷F_lz，

∑M_rx＝M_windx-F_lz·|Y_lr|-F_qz·|Y_qr|-F_Gz·|Y_Gr|-F_Gy·|Z_Gr|＝0

建立Z向力平衡方程以求解右轮垂向载荷F_rz，

∑F_z＝F_lz+F_rz+F_qz+F_Gz＝0；

其中，

为风载转换到重心处的力矩；

为重心处的载荷，F_舰船为舰船运动引起的惯性载荷，F_风为风载；

为重心到B点的距离；

为重心到右轮的距离；|X_qB|为前轮到B点的航向距离；|Y_lr|为左轮到右轮的侧向距离；|Y_qr|为前轮到右轮的侧向距离。

进一步，计算直升机侧滑稳定性包括计算直升机转动稳定性和计算直升机整体平动稳定性；

所述计算直升机转动稳定性包括：计算前轮侧滑系数、左轮侧滑系数、右轮侧滑系数和重心侧滑系数；若前轮、左轮、右轮和重心侧滑系数均大于1，则直升机不会转动；

所述计算直升机整体平动稳定性包括：计算X向侧滑系数和Y向侧滑系数；若X向侧滑系数和Y向侧滑系数均大于1，则直升机不会侧滑。

进一步，直升机前轮侧滑系数计算过程包括：

重心对前轮取矩

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为前轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

前轮侧滑力矩M_c＝M_qz；

前轮稳定力矩M_s＝F_lμ·|X_ql|+F_rμ·|X_qr|，其中，F_lμ、F_rμ为主轮最大静摩擦力，F_lμ＝μ·F_lz，F_rμ＝μ·F_rz；

计算前轮侧滑系数

当dC_q≥1时，直升机稳定；当dC_q<1时，直升机绕前轮转动。

进一步，直升机左轮侧滑系数计算过程包括：

重心对左轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

左轮侧滑力矩M_c＝M_lz；

左轮稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_lq|+F_rμ·|lr|；其中，F_qμ、F_rμ为前轮、右轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_rμ＝min(μ·F_rz,M_刹车/R)；

左轮计算侧滑系数

当dC_l≥1时，直升机稳定；当dC_l<1时，直升机绕左轮转动。

进一步，直升机右轮侧滑系数计算过程包括：

重心对右轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

右轮侧滑力矩M_c＝M_rz；

右轮稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_rq|+F_lμ·|rl|；

其中，F_qμ、F_lμ为前轮、左轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_lμ＝min(μ·F_lz,M_刹车/R)；

计算右轮侧滑系数

当dC_r≥1时，直升机稳定；当dC_r<1时，直升机绕右轮转动。

进一步，直升机重心侧滑系数计算过程包括：

重心侧滑力矩M_c＝M_windz；

重心稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_Gq|+F_lμ·|X_Gl|+F_rμ·|X_Gr|；

其中，F_qμ、F_lμ、F_rμ为前轮、左轮、右轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_lμ＝μ·F_lz，F_rμ＝μ·F_rz；

计算重心侧滑系数

当dC_G≥1时，直升机稳定；当dC_G<1时，直升机绕重心转动。

进一步，直升机整体X向侧滑系数计算过程如下：

X向侧滑力F_C＝F_Gx；

X向稳定力F_s＝F_rx+F_lx；其中，F_rx、F_lx为右轮、左轮最大静摩擦力，F_rx＝min(μ·F_rz,M_刹车/R)，F_lx＝min(μ·F_lz,M_刹车/R)；

计算X向侧滑系数

当dC_x≥1时，直升机稳定；当dC_x<1时，直升机整体X向滑动。

进一步，直升机整体Y向侧滑系数计算过程如下：

Y向侧滑力F_C＝F_Gy；

Y向稳定力F_s＝F_qy+F_ry+F_ly；

其中，F_qy、F_ry、F_ly为前轮、右轮、左轮最大Y向静摩擦力；

F_qy＝μ·F_qz

F_ry＝μ·F_rz

F_ly＝μ·F_lz；

其中μ为舰面摩擦系数；

计算Y向侧滑系数

当dC_y≥1时，直升机稳定；当dC_y<1时，直升机整体Y向滑动。

本发明提供一种直升机舰面自由停放稳定性的计算方法，该方法综合考虑了舰船的运动参数(包括横纵摇角、惯性加速度)、直升机的停机状态(停机角)、甲板摩擦系数、风速，能够较为真实地反映直升机受载情况，计算结果能够用于指导直升机在舰上的安全使用

附图说明

图1是直升机受力分析图；

图2是直升机绕前轮转动受力分析图；

图3是直升机绕左轮转动受力分析图；

图4是直升机绕右轮转动受力分析图；

图5是直升机绕重心转动受力分析图；

图6是直升机整体X向滑动受力分析图；

图7是直升机整体Y向滑动受力分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，包括如下步骤：

[1]倾覆稳定性计算

直升机着舰过程中，主轮通过刹车***锁死，前轮无刹车***，前轮自由定向装置通过中立锁锁死，故前轮无法绕缓冲支柱轴转动。

直升机在舰面自由停放，为保证直升机的停放稳定性，直升机起落架状态应与着舰过程一致。此时，直升机受到的外载包括重力、舰船运动引起的惯性载荷、风载及轮胎支反力。

直升机的受力分析如图1所示，其中，点r、l、q为起落架接地点，点G为重心。

为计算方便，将风载转换到直升机重心处，力矩转换关系如下：

其中，

为风载作用参考中心坐标，

为直升机重心坐标。

则重心处载荷为

F_舰船为舰船运动引起的惯性载荷，F_风为风载。

通过受力分析可知，该***共有8个未知数，分别为右轮载荷

左轮载荷

前轮载荷

各点对B点取矩可求解Fqz：

∑M_By＝M_windy+F_qz·|X_qB|+F_Gz·|X_GB|+F_Gx·|Z_GB|＝0

各点对右轮r取矩可求解Flz：

∑M_rx＝M_windx-F_lz·|Y_lr|-F_qz·|Y_qr|-F_Gz·|Y_Gr|-F_Gy·|Z_Gr|＝0

Z向力平衡方程可求解Frz：

∑F_z＝F_lz+F_rz+F_qz+F_Gz＝0

求解出各起落架垂向载荷后，便可以判断直升机的倾覆稳定性，稳定性判据如下：

当F_qz≥0且F_rz≥0且F_lz≥0，直升机稳定；否则，直升机倾覆。

[2]侧滑稳定性计算

直升机在不倾覆的前提下，如果轮胎无法提供足够的摩擦力，还可能发生侧滑。只要两个或者两个以上的轮胎产生滑动，即可认为直升机出现侧滑。

·转动

1)绕前轮转动

直升机绕前轮转动的受力分析如图2所示。

重心处载荷使得飞机具有侧滑倾向，若直升机绕前轮转动，则重心对前轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为前轮接地点坐标，

为直升机重心坐标。

侧滑力矩M_c＝M_qz使得直升机具有绕前轮转动的倾向，此时主轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。

稳定力矩M_s＝F_lμ·|X_ql|+F_rμ·|X_qr|

其中，F_lμ、F_rμ为主轮最大静摩擦力，F_lμ＝μ·F_lz，F_rμ＝μ·F_rz。

定义侧滑系数

当dC_q≥1时，直升机稳定；当dC_q<1时，直升机绕前轮转动。

2)绕左轮转动

直升机绕左轮转动的受力分析如图3所示。

重心处载荷使得飞机具有侧滑倾向，若直升机绕左轮转动，则重心对左轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标。

侧滑力矩M_c＝M_lz使得直升机具有绕左轮转动的倾向，此时前轮和右轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。

稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_lq|+F_rμ·|lr|

其中，F_qμ、F_rμ为前轮、右轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_rμ＝min(μ·F_rz,M_刹车/R)。

定义侧滑系数

当dC_l≥1时，直升机稳定；当dC_l<1时，直升机绕左轮转动。

3)绕右轮转动

直升机绕右轮转动的受力分析如图4所示。

重心处载荷使得飞机具有侧滑倾向，若直升机绕右轮转动，则重心对右轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标。

侧滑力矩M_c＝M_rz使得直升机具有绕右轮转动的倾向，此时前轮和左轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。

稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_rq|+F_lμ·|rl|

其中，F_qμ、F_lμ为前轮、左轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_lμ＝min(μ·F_lz,M_刹车/R)。

定义侧滑系数

当dC_r≥1时，直升机稳定；当dC_r<1时，直升机绕右轮转动。

4)绕重心转动

直升机绕重心转动的受力分析如图5所示。

重心处载荷使得飞机具有侧滑倾向，若直升机绕重心转动，则侧滑力矩M_c＝M_windz使得直升机具有绕重心转动的倾向，此时前轮和左、右轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。

稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_Gq|+F_lμ·|X_Gl|+F_rμ·|X_Gr|

其中，F_qμ、F_lμ、F_rμ为前轮、左轮、右轮最大静摩擦力，F_qμ＝μ·F_qz，F_lμ＝μ·F_lz，F_rμ＝μ·F_rz。

定义侧滑系数

当dC_G≥1时，直升机稳定；当dC_G<1时，直升机绕重心转动。

求解出各情况下的侧滑系数后，便可以判断直升机的侧滑稳定性，稳定性判据如下：

当dC_q≥1且dC_l≥1且dC_r≥1且dC_G≥1，直升机稳定；否则，直升机侧滑。

·整体滑动

1)整体X向滑动

直升机整体X向滑动的受力分析如图6所示。

重心处载荷使得飞机具有侧滑倾向，若直升机整体X向滑动，侧滑力F_C＝F_Gx，侧滑力使得直升机具有整体X向滑动的倾向，此时主轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。前轮无刹车***，不提供航向静摩擦力。

稳定力F_s＝F_rx+F_lx

其中，F_rx、F_lx为右轮、左轮最大静摩擦力，F_rx＝min(μ·F_rz,M_刹车/R)，F_lx＝min(μ·F_lz,M_刹车/R)。

定义侧滑系数

当dC_x≥1时，直升机稳定；当dC_x<1时，直升机整体X向滑动。

2)整体Y向滑动

直升机整体Y向滑动的受力分析如图7所示。

若直升机不会整体X向滑动，重心处载荷还有使飞机具有整体Y向滑动的可能，侧滑力F_C＝F_Gy，侧滑力使得直升机具有整体Y向滑动的倾向，此时前轮和主轮提供静摩擦力来消除直升机的侧滑倾向。

稳定力F_s＝F_qy+F_ry+F_ly

其中，F_qy、F_ry、F_ly为前轮、右轮、左轮最大Y向静摩擦力；

F_qy＝μ·F_qz

F_ry＝μ·F_rz

F_ly＝μ·F_lz。

定义侧滑系数

当dC_y≥1时，直升机稳定；当dC_y<1时，直升机整体Y向滑动。

当dC_q≥1且dC_l≥1且dC_r≥1且dC_G≥1且dC_x≥1且dC_y≥1，直升机稳定；否则，直升机侧滑。

[3]停机稳定性计算

只有同时满足倾覆稳定性和侧滑稳定性的判据条件，直升机在自由停放状态下才能保持稳定。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：所述方法包括：计算直升机倾覆稳定性和计算直升机侧滑稳定性；

所述计算直升机倾覆稳定性包括：计算直升机前轮和左、右轮垂向载荷；若直升机前轮和左、右轮垂向载荷均大于等于0，则直升机不倾覆；

计算直升机侧滑稳定性包括计算直升机转动稳定性和计算直升机整体平动稳定性；

2.根据权利要求1所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：所述计算直升机前轮和左、右轮垂向载荷具体为：

对左右轮连线上y＝0的点B取矩以求解前轮垂向载荷F_qz，

∑M_By＝M_windy+F_qz·|X_qB|+F_Gz·|X_GB|+F_Gx·|Z_GB|＝0；

对右轮r取矩以求解左轮垂向载荷F_lz，

∑M_rx＝M_windx-F_lz·|Y_lr|-F_qz·|Y_qr|-F_Gz·|Y_Gr|-F_Gy·|Z_Gr|＝0

建立Z向力平衡方程以求解右轮垂向载荷F_rz，

∑F_z＝F_lz+F_rz+F_qz+F_Gz＝0；

其中，

M_windx、M_winyd、M_windz分别为风载转换到重心处的X、Y、Z方向的力矩；

为重心处的载荷，F_Gx、F_Gy、F_Gz分别为重心处X、Y、Z方向的载荷；F_舰船为舰船运动引起的惯性载荷，F_风为风载；

为重心到B点的距离，|X_GB|、|Y_GB|、|Z_GB|分别为重心到B点的X、Y、Z方向的距离；

为重心到右轮的距离，|X_Gr|、|Y_Gr|、|Z_Gr|分别为重心到右轮的X、Y、Z方向的距离；|X_qB|为前轮到B点的航向距离；|Y_lr|为左轮到右轮的侧向距离；|Y_qr|为前轮到右轮的侧向距离；

若直升机前轮和左、右轮垂向载荷均大于等于0，则直升机不倾覆。

3.根据权利要求2所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机前轮侧滑系数计算过程包括：

重心对前轮取矩

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为前轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

前轮侧滑力矩M_c＝M_qz；

计算前轮侧滑系数

当dC_q≥1时，直升机稳定；当dC_q<1时，直升机绕前轮转动。

4.根据权利要求3所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机左轮侧滑系数计算过程包括：

重心对左轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

左轮侧滑力矩M_c＝M_lz；

左轮计算侧滑系数

当dC_l≥1时，直升机稳定；当dC_l<1时，直升机绕左轮转动。

5.根据权利要求4所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机右轮侧滑系数计算过程包括：

重心对右轮取矩为

其中，M_wind为风载转换到重心处的力矩；

为左轮接地点坐标，

为直升机重心坐标；

右轮侧滑力矩M_c＝M_rz；

右轮稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_rq|+F_lμ·|rl|；

计算右轮侧滑系数

当dC_r≥1时，直升机稳定；当dC_r<1时，直升机绕右轮转动。

6.根据权利要求5所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机重心侧滑系数计算过程包括：

重心侧滑力矩M_c＝M_windz；

重心稳定力矩M_s＝F_qμ·|X_Gq|+F_lμ·|X_Gl|+F_rμ·|X_Gr|；

计算重心侧滑系数

当dC_G≥1时，直升机稳定；当dC_G<1时，直升机绕重心转动。

7.根据权利要求6所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机整体X向侧滑系数计算过程如下：

X向侧滑力F_C＝F_Gx；

计算X向侧滑系数

当dC_x≥1时，直升机稳定；当dC_x<1时，直升机整体X向滑动。

8.根据权利要求7所述的一种直升机舰面自由停放稳定性计算方法，其特征在于：

直升机整体Y向侧滑系数计算过程如下：

Y向侧滑力F_C＝F_Gy；

Y向稳定力F_s＝F_qy+F_ry+F_ly；

其中，F_qy、F_ry、F_ly为前轮、右轮、左轮最大Y向静摩擦力；

F_qy＝μ·F_qz

F_ry＝μ·F_rz

F_ly＝μ·F_lz；

其中μ为舰面摩擦系数；

计算Y向侧滑系数

当dC_y≥1时，直升机稳定；当dC_y<1时，直升机整体Y向滑动。