基于飞行试验的直升机双侧外挂构型对平飞性能影响研究

李昌明

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

近年来，国内直升机事业蓬勃发展，直升机型号越来越多，国内直升机带外挂武器的型号也发展迅速，已有直升机配套多种反坦克、反潜（舰）导弹及外挂型号。国内对于直升机外挂特性的各种研究也逐步开展：夏良[1]对直升机武器外挂和发射对稳定性及运动参数的影响进行了分析，其研究发现，直升机外挂武器之后，全机的气动力、气动力矩重心位置、惯性矩等参数会发生变化，横向参数变化比纵向更加明显，发射武器会使直升机原始平衡状态破坏，基本运动参数会出现周期性的振荡。汪凯蔚等[2]对直升机的外挂可靠性试验技术进行了研究。侯雪剑等[3]对直升机的隐身设计进行相关研究。龙海斌等[4]对无人直升机的组合外挂体采用CFD计算方法进行了数值计算，计算研究了不同的导弹发射安装角和机身侧滑角以及无挂载状态对其气动特性的影响。龙海斌[5]采用RANS方法对带外挂武器装备的轻型无人直升机进行气动特性计算，结果表明挂梁和挂架对外挂武器装备气动特性的影响比较大。龙海斌等[6]针对外挂武器对无人直升机纵向气动特性影响的问题，采用NS方程计算方法，对加装武器系统前后，不同前飞速度、武器安装角和挂载状态下的气动特性进行了数值计算。结果表明，采用悬臂梁外挂方式加装武器对阻力有显著影响，前飞速度和武器发射安装角变化对纵向气动特性几乎没有影响。外挂武器安装位置和数量变化对无人直升机的纵向气动特性影响很小。直升机挂载武器一般分为机外单侧外挂鱼雷或导弹、双侧外挂鱼雷或导弹和机内悬挂机枪等几种方式。其中，机外双侧外挂武器为常见的外挂构型，可挂载的武器有鱼雷、深弹、地空弹、空空弹等。李保平[7]把武装直升机的外挂武器主要分为：反坦克导弹、航空火箭、空空导弹、航空机关炮和机枪等。如果执行反潜任务，则可挂载反潜鱼雷和深水炸弹。挂载武器后，会对直升机的操纵性、稳定性、平衡机动特性、平飞性能、爬升性能等方面产生影响。

文中的双侧外挂构型是指直升机挂载两枚鱼雷的构型，即直升机每侧挂载一枚相同重量、形状、统一挂载方式的鱼雷，挂载后，直升机的气动外型由公式发生改变，主要影响了直升机的阻力。本文以某型直升机为例，研究了本直升机在某一高度，直升机外挂两枚鱼雷与无外挂构型平飞性能相关参数，给出了双侧外挂对直升机的需用功率、巡航速度、最大平飞速度、经济速度、航程、航时等相关直升机飞行性能参数的影响。

1 应用动量理论的直升机平飞性能分析

水平直线飞行（简称平飞）是直升机重要的使用状态，平飞性能是直升机的基本性能之一。确定直升机在不同高度上的飞行速度是直升机平飞性能试验的主要任务。平飞性能试验需要确定完整的直升机——发动机组合特性，这个组合特性包括直升机平飞需用功率特性、发动机可用功率特性和飞行包线等。还应确定直升机气动构型、飞行重量和重心位置、飞行状态、大气条件和旋翼转速对平飞性能的影响[8]。

对于直升机的平飞性能试验，可以应用动量理论[9]分析平飞飞行中影响直升机的因素。图1显示了在气流通过平飞作动量盘时出现的速度变化。

图1 应用于平飞旋翼的动量盘理论

通过作用在重心上诸力的平衡开始分析：

其中重量W是拉力T的垂向分量，拉力的水平分量形成阻力D，角度γ是桨盘平面垂向方向与直升机拉力的夹角，ρ为空气密度，S为迎风阻力面积。

应用椭圆机翼相似：

由公式（4）、（5）可得：

当水平速度增加时，诱导速度减小。在中～高速度时，公式（6）可以简化为：

平飞时的需用功率：

即在中～高前飞速度范围内，平飞需用功率为诱导功率、型阻功率、废阻功率之和，如图2所示。在经济速度之前，直升机的需用功率以诱导功率为主，型阻功率小于诱导功率，废阻功率占比最小。当随速度增大时，型阻功率缓慢增加，废阻功率急剧增大，诱导功率减小。型阻功率在整个速度范围内，随速度的增加缓慢增加，但增加的量值较小。

图2 直升机需用功率示意图

当直升机双侧外挂鱼雷时，如图3所示，相比于无外挂构型，直升机的气动外型改变，迎风阻力面积增大，阻力系数增大，型阻和废阻会随之增加。本文所使用的直升机外挂构型，外挂鱼雷的位置在直升机纵向方向上，位于直升机纵向重心之前，挂载鱼雷后，直升机的重心位置前移，则平飞时，相比于无外挂构型，会使直升机低头，俯仰角减小，直升机的拉力与垂向方向的夹角γ增加，使直升机拉力增大。但是，由公式（7）可知，夹角γ增加后，直升机的诱导速度随之减小，则直升机的诱导功率也会随之减小。

图3 直升机双侧外挂示意图

当直升机前飞速度小于经济速度的时候，诱导功率在整个需用功率中占比最大，直升机双侧外挂构型时，诱导速度的减小，使诱导功率也相对减小，相比于直升机无外挂构型，整个直升机的需用功率也会减小。

2 飞行试验与分析

平飞性能试验的主要试飞方法是稳定平飞法，稳定平飞法是在规定高度上进行稳定平飞。该方法是在规定高度，以要求的飞行重量，保持高度不变，以步长10km/h～20km/h的飞行速度进行飞行试验。在每个飞行状态记录直升机飞行参数、大气参数和发动机参数，其稳定记录时间不应小于1min。

本文以某型直升机为例，对比了直升机无外挂构型和双侧外挂两枚鱼雷构型，在相同重量条件下，在同一飞行高度，相同大气条件下的飞行速度、需用功率、油耗、俯仰角等相关飞行参数。直升机在挂装两枚鱼雷后，挂点位置在直升机重心之前，会使直升机重心前移。在前飞时，相比于无外挂构型，重心前移将使直升机的俯仰角减小。

图4给出了直升机在同一气压高度上外挂两枚鱼雷构型和无外挂构型飞行试验直升机俯仰角试飞结果。由图4可以看出，当直升机具有相同的前飞速度时，直升机无外挂构型的俯仰角要大于直升机外挂两枚鱼雷构型的俯仰角。

图4 两种外挂构型的俯仰角对比

图5给出了某型直升机在某气压高度上外挂两枚鱼雷构型和无外挂构型飞行试验平飞需用功率曲线试飞结果。由图5可以看出：对于经济速度，即最小需用功率对应的速度，双侧外挂构型的经济速度小于无外挂构型的经济速度；对于相同需用功率下的最大平飞速度，外挂两枚鱼雷构型平飞速度小于无外挂构型平飞速度。当小于经济速度时，无外挂构型的需用功率大于外挂两枚鱼雷构型的需用功率。

图5 两种外挂构型的平飞需用功率对比

对于最小需用功率，无外挂构型为48.60，双侧外挂构型为48.46，即直升机具有双侧外挂后，最小需用功率略小于无外挂构型最小需用功率。这是由于直升机的需用功率由诱导功率、型阻功率、废阻功率三部分组成造成的，在整个速度范围内，由于双侧外挂直升机的俯仰角减小，造成直升机经济速度减小，其诱导功率一直小于无外挂直升机诱导功率。但是挂载鱼雷后，造成直升机的型阻和废阻增加，在小速度时，型阻和废阻的增加值小于诱导功率的减小值，则造成小速度范围内，双侧外挂直升机需用功率小于无外挂直升机的需用功率。在大速度时，直升机的需用功率以废阻功率和型阻功率为主，诱导功率占比很小，造成双侧外挂直升机的需用功率大于无外挂构型直升机的需用功率。当直升机的需用功率三个组成部分之和最小时，造成无外挂构型和双侧外挂构型直升机的需用功率基本相同。

由表1可知，当直升机具有相同的可用功率时，无外挂构型的平飞速度大于双侧外挂构型直升机的平飞速度，当直升机在较大速度，具有相同的需用功率时，两种外挂构型的速度差值变化较小，两条拟合曲线基本平行。当直升机的速度大于经济速度时，随直升机速度的增加，直升机需用功率也增加。双侧外挂构型的直升机需用功率增加速度与无外挂构型直升机需用功率速度相当，但其需用功率在相同速度时一直大于无外挂构型的需用功率。这是由于直升机在较大速度飞行时，废阻功率增加较大，双侧外挂构型的直升机废阻大于无外挂构型直升机的废阻所致。在整个可用功率范围内，无外挂构型的最大平飞速度要大于双侧外挂构型的最大平飞速度。

表1 直升机平飞速度对比

图6给出了直升机在同一气压高度上的双侧外挂构型和无外挂构型飞行试验平飞小时油耗曲线试飞结果。由此可以看出，小时油耗曲线与需用功率曲线基本趋势一致。即：对于经济速度，外挂两枚鱼雷构型的经济速度小于无外挂构型的经济速度，趋势跟图5一致；对于相同小时油耗下的最大平飞速度，外挂两枚鱼雷构型平飞速度小于无外挂构型平飞速度。当小于经济速度时，无外挂构型的小时油耗大于外挂两枚鱼雷构型的小时油耗。对于最小小时耗油量，双侧外挂构型规格化数值为651.99，无外挂构型为652.22，双侧外挂构型小时耗油量略小于无外挂构型的小时耗油量。

图6 两种外挂构型的平飞小时油耗对比

由表2可知，当直升机具有相同的可用燃油时，无外挂构型的续航时间与双侧外挂直升机的续航时间基本相同，这是由于双侧外挂直升机最小小时油耗与无外挂构型直升机的油耗基本相同。可见，在直升机具有双侧外挂，直升机外挂两枚鱼雷时，直升机的最小小时油耗不一定会增大，但最小小时油耗对应的经济速度一定会发生变化。

表2 直升机续航时间对比

图7给出了直升机在相同飞行重量，同一气压高度上的双侧外挂构型和无外挂构型飞行试验单位功率耗油率曲线试飞对比结果。由图7可知，单位功率耗油率的最大值在经济速度处，双侧外挂构型的最大单位功率油耗为0.609，无外挂构型的最大单位功率油耗为0.608，两者基本相同。当前飞速度大于经济速度时，双侧外挂构型的单位功率油耗小于无外挂构型单位功率油耗，即直升机具有双侧外挂时，直升机的做功效率大于无外挂构型直升机的做功功率。

图7 两种外挂构型的单位功率耗油率对比

图8给出了直升机在同一气压高度上外挂两枚鱼雷构型和无外挂构型飞行试验平飞公里油耗曲线试飞结果，由图8可以看出，当小于经济速度时，无外挂构型的小时油耗大于外挂两枚鱼雷构型的小时油耗；当大于经济速度时，外挂两枚鱼雷构型的公里油耗大于无外挂构型公里油耗。对于远航速度，外挂两枚鱼雷构型的远航速度小于无外挂构型的远航速度。

图8 两种外挂构型的平飞公里油耗对比

表3给出了两种构型下，直升机不同可用油量的航程对比。当直升机具有相同的可用燃油时，无外挂构型直升机的航程明显大于双侧外挂直升机的航程。随直升机可用油量的增加，无外挂构型直升机的航程增加量大于双侧外挂直升机的航程增加量。

表3 直升机续航程对比

3 结论

直升机挂装两枚鱼雷后，其构型与直升机无外挂构型相比，因气动外型的改变，导致直升机机身俯仰角减小，在相同的功率条件下，经济速度小于无外挂构型直升机经济速度，远航速度小于无外挂构型直升机远航速度，最大平飞速度亦小于无外挂构型最大平飞速度。但是，直升机在挂装两枚鱼雷后，其最小小时油耗有可能同无外挂构型直升机续航时间相近，因而不会影响直升机的续航时间。