高海拔环境下直升机适应性及综合保障性研究.docx

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高海拔环境下直升机适应性及综合保障性研究

编号

毕业论文

题目

高海拔环境下直升机适应性及综合保障性研究

学生姓名

学号

学院

专业

班级

指导教师

二〇一二年六月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

高海拔环境下直升机适应性及综合保障性研究

摘要

直升机是一种依靠旋翼为主要升力面和操纵面的飞行器，具有不需跑道便可起降的独特性能。

我国地形复杂，雪灾、地震等自然灾害频发，雪域高原地带尤为显著，直升机以其垂直起降、空中悬停等优势在紧急救援任务中发挥着至关重要的作用。

然而，高原环境具有温差大、气压低、空气密度低等特点对直升机的飞行性能提出严峻考验。

探讨建立适合于高原环境直升机飞行性能的研究方法，具有重要的现实意义。

本论文高海拔环境下直升机的适应性及综合保障性研究，主要包括内容：

直升机有关力学基本知识；高海拔环境下直升机的适应性，高海拔环境下直升机的综合保障性；直升机的适应性的发展与实际应用，直升机综合保障性的发展与实际应用。

根据所收集的参考文献以及具体调研对具体的高海拔环境下直升机的适应性及综合保障性进行研究，直升机保障设备的现状与应用，高原环境对直升机的影响分析，从而提高对直升机在高海拔环境下的理论分析与了解。

关键词：

直升机，高海拔，适应性，综合保障性

Highaltitudeadaptabilityandsecurityresearchofhelicopter

Abstract

Thehelicopterisarelyonrotorasthemainliftingsurfaceandmanipulationoftheaircraft,withnorunwaywillbetakingoffandlandingoftheuniquepropertiesof.China'scomplexterrain,snowstorms,earthquakesandothernaturaldisasters,thesnow-coveredplateauregionisparticularlyremarkable,withitsverticaltake-offandlandinghelicopter,hoveringandotheradvantagesintheemergencyrescuemissionplayedanimportantrolein.However,theplateauenvironmentwithlargetemperaturedifference,lowairpressure,airdensityislowcharacteristictothehelicopterflightperformanceoftheproposedtest.Ontheestablishmentofsuitableforplateauenvironmentofhelicopterflightperformanceresearchmethod,hastheimportantpracticalsignificance.

Inthispaper,highaltitudehelicopteradaptiveandintegratedsecurityresearch,themaincontentsinclude:

basicknowledgeaboutmechanicsofhelicopterhelicopter;highaltitudeadaptability,highaltitudehelicopterintegratedsecurity;theadaptabilityofhelicopterdevelopmentandpracticalapplicationofintegratedsupport,helicopterdevelopmentandpracticalapplication.Basedonacollectionofreferencesandspecificresearchonspecifichighaltitudehelicopteradaptabilityandintegratedsupportforresearch,helicoptersupportequipmentstatusandapplication,analysisoftheinfluenceofplateauenvironmentonthehelicopter,therebyimprovingthehelicopterinhighaltitudeenvironmenttheoryanalysisandunderstanding.

Keyword：

Helicopter；Highaltitude；Adaptability；Integratedsecurity

第一章引言

直升机是一种以动力装置驱动的旋翼作为主要升力和推进力来源，能垂直起落及前后、左右飞行的旋翼航空器，主要由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。

旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动，也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。

直升机的最大时速可达300km/h以上，引俯冲极限速度近400km/h,使用升限可达6000米（世界纪录为12450m），一般航程可达600～800km左右。

携带机内、外副油箱转场航程可达2000km以上。

根据不同的需要直升机有不同的起飞重量。

当前世界上投入使用的重型直升机最大的是俄罗斯的米-26（最大起飞重量达56t，有效载荷20t）。

目前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机，其中又以单旋翼直升机数量最多。

直升机的突出特点是可以做低空（离地面数米）、低速（从悬停开始）和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。

由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。

在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、指挥控制、通中国直-15试飞信联络、反潜扫雷、电子对抗等。

在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等。

海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面。

目前直升机相对飞机而言，振动和噪声水平较高、维护检修工作量较大、使用成本较高，速度较低，航程较短。

直升机今后的发展方向就是在这些方面加以改进。

1.1直升机的用途

直升机因为有许多其他飞行器难以办到或不可能办到的优势，受到广泛应用，直升机由于可以垂直起飞降落不用大面积机场主要用于观光旅游、火灾救援、海上急救、缉私缉毒、消防、商务运输、医疗救助、通信以及喷洒农药杀虫剂消灭害虫、探测资源，等国民经济的各个部门。

世界直升机的队伍逐渐壮大。

运输型直升飞机武装直升机：

装有武器并执行作战任务的直升机。

亦称攻击直升机或强击直升机。

主要用于攻击地面、水面和水下目标，为运输直升机护航，也可与敌直升机进行空战。

具有机动灵活，反应迅速，适于低空、超低空抵近攻击，能在运动和悬停状态开火等特点。

多配属陆军航空兵，是航空兵实施直接火力支援的新型机种。

武装直升机可分为专用型和多用型两种。

专用型武装直升机是专门为进行攻击任务而设计的，其机身窄长，机舱内只有前后或并列乘坐的2名乘员（甚至1名乘员），作战能力较强；多用途武装直升机除用来遂行攻击任务外，还可用于运输、机降、救护等。

反坦克作战是武装直升机的主要用途之一，因此武装直升机又被称为“坦克杀手”；它与坦克对抗时，在视野速度、机动性及武器射程等诸方面明显处于优势地位。

舰载武装直升机还可扩大舰艇或舰队的作战范围，增强作战能力。

武装直升机一般携带机枪、航炮、炸弹、火箭和导弹等多种武器，最大平飞时速300千米以上，续航时间2－3小时。

武装直升机广泛用于现代局部战争，在战争中发挥了重要作用，受到世界各国的十分关注。

直升机基本上算是一种空中运输部队，它可以将2个部队搭载到行动范围上的任何一个方格之上，无论旁边是否有敌军部队。

直升机只能运载步行部队─无法运载机械化部队。

城市的战略资源贮存区中，必须要有原油以及橡胶才能生产直升机。

现代直升机的最早概念其实是来自于画家兼工程师的莱昂纳多·达芬奇，他在公元16世纪描绘了一台以螺旋桨驱动的飞行器。

不过一直等到公元1939年时，第一台实用型的直升机才被设计出来。

直升机比起固定翼飞行器来说有个独特的优点，就是它可以垂直起降，这使得直升机可以在无法建造跑道的狭窄地区中执行任务。

在今日，直升机在民间运用为救援用运输工具，或是进行执法勤务。

直升机在军事上的用途有许多种，由大型的运输机到人员运输机到移动迅速的飞行坦克不等，后者主要是担任由空中支援地面作战的角色。

1.2中国直升机发展

中国在抗战时由中央航空研究院开展过有限的直升机理论研究。

1944年，清华航空研究所曾在大后方的昆明从事过直升机的研究，并有论文发表。

更令人震惊的是，几乎于美国的R-4同时，中国开始设计制造直升机。

1944年，中国飞机制造业的先驱朱家仁先生设计了中国第一架直升机。

1945年秋，“蜂鸟式甲型单座直升机”研制成功，一架居然有共轴双旋翼直升机诞生了！

这是中国自己研制的第一架直升机，朱家仁也被称为“中国的直升机之父”。

1948年7月“蜂鸟”乙型直升机研制成功，这架直升机发动机功率91.7千瓦，旋翼直径7.62米，机高2.63米，总重725.5千克，最大飞行速度每小时136千米，航程219千米。

采用封闭式坐舱，甚至超过了国际上同类直升机。

直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，极大地拓展了飞行器的应用范围。

直升机是典型的军民两用产品，可以广泛的应用在运输、巡逻、旅游、救护等多个领域。

新中国航空工业建立50年来，已生产交付军民用直升机约1000架。

经过上述努力，中国已成为世界上少数几个具有直升机科研生产能力、拥有完整战斗机产品系列的国家。

美俄欧把直升机产业作为战略产业，国家大力支持，产品不断更新，技术不断提高。

据统计，发达地区通用飞机与客运飞机的应用量比例大约是5到6倍的关系。

目前中国直升机较少，民用直升机更少，随着经济的发展，直升机领域的市场潜力是相当大的。

随着中国国民经济的不断发展、西部大开发以及国防建设的需要，未来中国对直升机产品有着十分迫切的需求。

就研发能力而言，中航工业直升机与国外同行的差距已经不大了，否则它根本无法生存，即便有国家层面的支持。

中国的民用直升机以中小型为主，高原型、重型几乎是空白，高性能大中型也不多，国产直升机有着明显的数量不足的问题。

目前中国平均每800万人口才拥有1架民用直升机，为世界平均水平的1/50。

虽然目前中国直升机空中观光、短途包机等项目还没有形成规模和产业，但随着国民经济发展，各项审批手续的简化，中国的直升机旅游市场有望会真正启动，在未来5-10年得到飞速发展，预计未来10-15年间需大、中型直升机大约20架。

多年来，直升机制造商一直认定中国和印度直升机市场有巨大潜力。

私营和商业航空规模呈现扩大趋势，需要中国航空交通管制体系进行改革，而这在短时间内不可能实现。

短期而言，中国直升机需求将来自警察、准公营机构和石油及天然气部门。

中国直升机需求到2020年时将达到1万架，市场总值将达到1000亿美元。

第二章高海拔环境对直升机的影响

本章节探讨高温环境对直升机的影响，分析了影响直升机环境温度的机理，采用曲线拟合和物理相似理论，探讨了环境温度测试数据的处理方法，测试结果可劝修仃可靠性标准提供主要依据，同时对新机研制环境温度指标有重要的参考价值。

阐述了高海拔直升机的特性。

直升机的可靠性与其工作的环境温度关系十分密切。

特别是在炎热季节，直升机故障明显增多。

分析环境温度对直升机的影响对直升机使用环境温度进行充分测试并加以研究，对制订或修订直升机环境温度标准，提高直升机的可靠性有很重要的意义。

2.1高温对直升机的影响

高温使发动机功率不足：

直升机是靠发动机将其输出功率传递给旋翼，旋翼在空气中运动产生拉力而飞行。

旋翼拉力与空气密度成正比，而空气密度与气温成反比，气温越高，空气密度越小，因而旋翼拉力也越小。

不但如此，空气密度下降，进人发动机的空气量也随之减少，这会造成发动机供气不足，输出功率下降，从而进一步降低旋翼的升力和拉力。

因此，高温导致发动机功率下降，直升机的源动力不足将影响其飞行品质和使用可靠性，使有效的载重和所有的战斗性能都会下降。

如当外界大气温度大于30℃时，直升机若较长时间悬停作业，会发生发动机燃气温度调节器工作不正常。

高温使直升机表面涂层老化加快：

高温使直升机表面涂层老化加快太阳辐射，高温，很强的热负荷，温度剧变等会导致阳极化保护层物理化学性质和防护性能的变化，从而使直升机表面漆层破坏，防护涂层以及零件表面化学腐蚀和摩擦表面的磨蚀。

在高温天气条件下，直升机表面平均最高温度可大于等于60摄氏度，短时温度可大于等于80摄氏度，而在封闭容器内（如尾梁内）温度可长时间大于等于80摄氏度。

光和热导致的表层老化过程还同时使涂层光泽变浅，弹性下降，附着力减少，保护性能的总体恶化等。

高温使润滑油酉旨起变化：

高温使润滑油酉旨起变化在高温作用下，对直升机零部件起保护作用的润滑油酷通常会变稀、渗流、被吹除、氧化而形成有机酸，并在有水汽进人后产生水解作用;而有砂尘进人后的润滑油醋将有很强的磨蚀作用，从而加剧零部件的磨损。

高温导致电子设备故障增多：

在高温作用下，会使无线电电子设备超出其设计工作状态，从而导致各系统局部过热和电动机线圈击穿。

高温会引起电阻、电容等电子元件、电感等数值的改变，并由此引起工作频率的改变，使发射机的输出功率下降，接收机的灵敏度降低，酷热会加重电子设备本身产生的内热，使电信器材的机械性能和电性能变坏，影响有机绝缘材料的性能，使套管老化变硬，弯曲后破裂，过热则会烧坏设备。

在南方高温、高湿条件下，电台、电气设备内各绝缘物质、导线、接线柱、接触点等易产生锈蚀、发霉和变质，无线易生锈，使用可靠性降低。

高温使密封材料和装置易损：

直升机在高温环境下使用时，密封材料的机械性能变差，活塞杆圆柱表面的材料磨损，导致活塞杆密封性不良的缺陷，经由密封装置渗漏到减速器舱的液压油需经常进行清洁，增大了维护工作的强度和难度。

炎热季节润滑油脂因高温而膨胀，而密封装置的空膛相对减小，这会使滑油从密封圈中挤出，直升机在滑行和起飞时，密封圈上的油污会附上相当数量的砂尘，当大气温度降低时（夜间或飞上高空），密封装置内空腔产生负压，附着砂尘的污油和空气一起进入内膛，在砂尘作用下，密封材料和装置易损。

高温影响光学仪器的精确度：

高温高湿环境中，直升机的光学仪器容易生霉、生雾，甚至在镜片上结成小水珠，影响观察和瞄准给使用、保养、保管带来很多困难。

光学仪器的座架会因温度变化而发生膨胀或收缩，影响其精确度。

高温影响电瓶的使用：

外界大气高温时，直升机上的电瓶电解液的温度可达很高，这已远远超过电瓶正常工作的许可温度极限。

大气压力的降低也会造成电解液的蒸发和沸腾，即看到电瓶冒气。

电解液的蒸发和溅出，再加上气温的急剧降低，会使电瓶和电瓶箱上结上水汽，加剧接触表面和搭接线的氧化，并破坏电瓶箱的绝缘。

2.2影响直升机环境温度的机理分析

直升机机舱温度，包括机壳温度及舱内空气温度，类似于一个地区的地面温度及近地表面的空气温度。

它们都取决于太阳辐射及物体本身的长波辐射。

如果直升机内放有仪表、机器，开动起来会有内热问题，但它们基本上取决于太阳辐射和物体本身的长波辐射。

直升机与大地既有相同的地方也有不同的地方，它们之间存在着一定的热量传递关系。

长波辐射（红外）对直升机及停机坪的影响：

直升机及停机坪的辐射差额或辐射平衡由下式决定:

R=（s'+D）（1+a）一F（2-1）

（1）式为地面全部辐射平衡式。

式中R为辐射差额；S‘为太阳直接对地面的辐射；D为太阳的散射辐射；a为地面反射率，大地及停机坪等物体的反射率一般都为0.15左右；F为长波（红外）辐射。

白天只有向阳面才有S'，同时也有D，即向阳面的总辐射为S'+D，而背阳面则有D而无S'024h都存在F，而晚上（日落后或日落前）则只存在F，一般地说，F恒为正，因此，晚上的辐射差额R值总是负的，即损失能量。

地面有效辐射与地面吸收大气逆辐射之差则为地面有效辐射，即式（2-1）中F，即应有:

（2-2）

该式为地面长波辐射平衡式，Es为地面指向大气也指向太空的辐射；Ea为大气的逆辐射；ε为表示空气的相对率；F随地温T的增高而变大，云多则逆辐射Ea变大而使F变小。

（2）式只是个不能用来进行实际计算的理论概念公式，以下介绍一些能进行实际计算的半经验公式。

首先提出计算碧空条件（有水汽，但无云）下的有效辐射Fo该公式为别尔良特公式:

（2-3）

式中ε为黑度，对于水泥地及直升机壳体，其ε都可取0.9；σ为波尔兹曼常数，

；t为湿空气温度；e为空气中水汽的分压。

（2-3）式中t取的是近地面空气温度，而不是下垫面温度或机壳温度，二者是不相等的。

当计算含湿量e。

时用空气温度求取，设机壳温度为tw,下垫面温度为te,如果要计算长波辐射对机壳及下垫面的影响时，直接以tw和te代人（2-3）中即可，还可以用以下公式计算云量、下垫面与空气温差时的有效辐射Fo。

（2-4）

式中，F碧为碧空条件下的有效辐射；te为下垫面（停机坪）温度（也可为机壳温度tw），计算下垫面长波辐射时用下垫面温度，计算机壳长波有效辐射时用机壳温度，用整机平均温度计算整机所受的长波辐射，用机壳向阳面的温度计算该面的长波辐射，用背阳面的机壳温度计算背阳面的长波辐射；n为用十分数表示的平均云量；c为云对辐射的影响系数；c值随纬度变化可查。

2.3大气温度对直升机性能的影响

发动机的温度特性：

环境温度升高后，进入发动机的空气密度减小，发动机的有效功率也就明显下降，而单位耗油率将增加。

计时也应考虑环境握度变化对发动机有效功率的影响，保持有一定的功率储备，以保证直升机能达到所要求的飞行性能。

大气温度和飞行高度变化时发动机与直升机匹配的特点：

在大气温度和飞行高度变化时，直升机的需用功率N，和发动机的可用功率N按不同情况变化，高度增加时，所需功率不断增大，而可用功率则不断减少，当大气温度增加时，悬停时间的所需功率几乎不变，而发动机的可用功率则下降很快。

这样，使在海平面标准大气状态下原来可以悬停起飞的直升机，由于高度和泥度增加而不能再保证悬停起飞。

因此，需要了解直升机性能随高度、温度变化的一般趋势，以及解决此问题的途径。

大气温度的影响：

大气温度升高时，相对需用功率N和相对可用功率N的变化规律，考虑在正常条件t=15摄氏度时认为发动机的起飞功率等于起飞悬停所需功率，当温度降低时，发动机的最大功率将增大，为避免传动系统过负荷，将有调节系统控制，使t<15摄氏度时发动机功率不在增大，而当温度升高时，相对可用功率明显下降，只有减小有效载荷或然后重量以减轻总重，减小相对需用功率才能保证悬停起飞，由于直升机总终于功率的2/3次方成正比，所以当温度增高总重变化，温度增加对燃油量的影响有两个因素：

一是发动机经济性变差，燃油量要增多；二是巡航需用功率减少，然后两可减少，所以温度增加对燃油量的影响较小。

所以按H=0，t=15℃时，盆用功率等于可用功串来匹配的直升机和发动机。

在温度升高后性能大大降低。

如果直升机主要在低温或中温地区使用，面很少在高温地区使用，那么这样的性能变差尚可接受。

如果保证在高温地区仍能用最大总重悬停起飞，必须增大可用功率，但为使传动系统不超级。

应按最大需用功率限制可用功率，也就是采用限制功率的大发动机。

可认为当结构设计水平、原始循环参数相同时，其发动机比重、单位耗油率均相同，因而发动机重量随功率增大。

用了功率增大的发动机后，其油消耗也增大，所以在同样航程时，其有效截荷将降低些，但在高原地区其性能较不增大功率时有显著改善。

总之，如果要直升机在各种温度条件下便用，应使发动机和直升机按高温条件匹配。

即采用低温时限制功率的大发动机。

2.4飞行高度对直升机性能的影响

飞行高度影响:

与分析大气高度升高时一样，为改善高原使用性能，也应增大发动机功率。

并按高原条件匹配，在低空则限制功率使用。

为便子进一步分析，在图中给出了功率增大1/10,1/5,3/10时，以及按H=0,H=2000m保持起飞总重量限制功率时的变化关系，高度对直升机各性能影响的分析和温度的影晌相似。

同样，为改善直升机的高原性能，来用增大发动机功率而低空限制使用功率的方法可以得到较好的效果。

实践中经常遇到的是在低空、温度高达40摄氏度的环境条件下使用。

以及在正常温度下于2000-3000m高空条件下使用，这两种情况对发动机功率增大的要求大致相近，因此，在多用途直升机上常有1/5-3/10的功率绪备，以满足这些要求。

2.5直升机在高原的悬停性能及防沙

如果在，尘，沙，雪或者松软的地面上空悬停，那么悬停的直升机尾流诱导速度就会导致一些使用中的问题，桨盘载荷越大，尾流的所谓“矿砂开采”能力也就越强，直升机桨盘载荷在4-12磅/英尺这一范围，那么与之相应的尾流远处下洗流速范围为35-58海里/小时，即使流速很低，也足可以将尘沙或者雪掀起，遮断飞行员的地面视野，见图2.1所示，如果江畔载荷较大，沙砾就会被尾流卷起，并迫使它穿过旋翼和发动机进气道。

正在起吊载荷或正在引导飞行员精着陆时，旋翼下洗流速太高也会给正在悬停的直升机下面的工作造成困难。

其次，可见桨盘载荷越大，使用中的问题越严峻，对于那种以非直升机方式悬停的飞机，由于采用的是螺旋桨或升力喷气发动机那样特别高的桨盘载荷装置，上述问题变得更加严峻，以致不得不限制只能在坚强的有准备的场地起落。

鉴于这些，有人可能会问：

“为什么仍要采用大桨盘载荷？

”答案是：

桨盘载荷大了就可以设计出空重小，结构紧凑的直升机，而这种直升机有非常广泛的用途。

在悬停情况下，旋翼洗流速度大致与桨盘载荷的1/2次方成比例。

桨盘载荷越大，洗流速度也越大。

图中所示表示桨盘载荷等于384.9牛/平方米，在旋翼离地高度等于其半径出悬停时，洗流速度的大小及其流动情况。

在地面上距离旋翼轴线1.5R处，洗流速度约为22m/s，相当于9级风力。

洗流速度很大对直升机在地面土壤疏松、沙漠、地面有很多小石块等地区起飞着陆及悬停会带来困难。

在洗流作用在卷起了地面的尘土，大大恶化了飞行员及地面人员的视界。

卷起的沙土及石块对地面人员及其危险，撞击在直升机上会严重减少旋翼等部件的寿命。

此外，及其严重的情况甚至会把地面的货物或设备吹翻。

直升机在执行起重或吊装任务时，折现情况的后果最为严重。

图2.1洗流速度的大小及其流动情况

悬停升限HH,垂直爬升速度V：

随着悬停高度的增加，单位需要功率

也会增加，但是发动机可用功率

却随着高度的增加而下降。

到某一高度，可用功率等于需用功率，这就是直升机的理论悬停升限，用

表示。

这时，功率的平衡关系为：

（2-5）

式中

——功率利用系数；