飞行器储备油箱设计及减摇效能分析

江婷; 黄淼; 史圣哲; 吴彬; 朱向杭; 王凡

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502419

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :1286-1292 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502419

论文：航空、航天

飞行器储备油箱设计及减摇效能分析

江婷 ¹^,² ,
黄淼 ¹^,² ,
史圣哲 ¹^,² ,
吴彬 ¹^,² ,
朱向杭 ¹^,² ,
王凡 ¹^,²

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Design and Roll Reduction Efficiency Analysis of Aircraft Reserve Fuel Tanks

JIANG Ting ¹^,² ,
HUANG Miao ¹^,² ,
SHI Sheng-zhe ¹^,² ,
WU Bin ¹^,² ,
ZHU Xiang-hang ¹^,² ,
WANG Fan ¹^,²

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摘要

为提升直升机的水面漂浮能力,降低其对应急浮囊的依赖性,基于油箱、燃油运动“双共振”原理开展储备油箱方案设计,通过改变油箱主尺度、燃油总量、安装位置等系列变量完成了11个基础油箱方案设计和横摇幅值响应算子分析。数据结果表明,在所有变量参数中,油箱垂向位置和油箱截面积是影响直升机横摇运动参数的关键指标,基于上述参数所设计的优化油箱方案可将直升机的幅值响应最大值降低约12.3%。特别当直升机遭遇横浪及大角度艏、艉浪向时,横摇响应幅值可降低1.2°以上。

Abstract

To enhance the helicopter’s water surface buoyancy and reduce its dependence on emergency flotation bags, a reserve fuel tank solution based on the “dual resonance” principle of fuel tank and fuel motion was developed. Through altering variables including tank dimensions, total fuel capacity, and installation positions, 11 basic tank schemes were designed and analyzed for roll amplitude response operators. The data results indicated that among all parameters, the vertical position and cross-sectional area of the fuel tank are key factors affecting helicopter roll motion characteristics. The optimized tank scheme designed with these parameters can reduce the maximum amplitude response of the helicopter by approximately 12.3%. Particularly when encountering beam sea and large-angle head/following sea conditions, the roll response amplitude can be decreased by over 1.2°.

Graphical abstract

关键词

油箱晃荡 / 主被动减摇 / 波浪漂浮稳定性 / 共振抑制

Key words

fuel tank sloshing / active and passive roll reduction / wave floating stability / resonance suppression

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江婷, 黄淼, 史圣哲, 吴彬, 朱向杭, 王凡. 飞行器储备油箱设计及减摇效能分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 1286-1292 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502419

JIANG Ting, HUANG Miao, SHI Sheng-zhe, WU Bin, ZHU Xiang-hang, WANG Fan. Design and Roll Reduction Efficiency Analysis of Aircraft Reserve Fuel Tanks[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(3): 1286-1292 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502419

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在飞行器家族中,直升机因突出的低空、低速和机头不变的机动飞行能力,特别是在无跑道、无水域等恶劣条件下的垂直起降能力使直升机的应用领域越来越广泛。但据美国直升机安全队2009—2013年的直升机事故分析,50%的直升机死亡事故是由于飞行中失去控制、无意中进入仪表气象条件和低高度运行引起^[1]。特别当直升机跨水域飞行遭遇失控情况时,必须通过一系列可控手段进行紧急水上迫降。应急浮囊作为提升直升机水面漂浮能力的专用设备,在直升机的安全性设计过程中均有所考虑。但另一个装置燃油箱,通常仅作为装载燃料的装置装载于直升机地板下方或机身两侧短翼内。关于油箱的研究也主要集中于抗坠毁油箱设计研究上。其中,劭元新等^[2]以直升机软油箱为研究对象,对油箱抗坠毁能力进行了试验研究。朱洪艳等^[3]分析总结了直升机抗坠毁油箱的试验研究和仿真分析最新进展。张海华^[4]以俄卡式直升机为研究对象,基于流固耦合理论,对软油箱的抗坠毁性能进行了仿真分析。

但从另一角度来看,油箱的性能除了具备燃料储备能力外,还可尝试用于提升直升机的水面漂浮能力。虽然依托直升机的相关研究尚无先例,但船舶减摇水舱设计已经历了近一个世纪的发展,相关技术已非常成熟。1931年,美国海军针对六艘海军巡洋舰进行了减摇水舱改装和开式水舱设计,试验结果表明,该减摇水舱可减低30%以上的横摇^[5]。Webster等^[6]对开式水舱进行了分析和模型试验,研究表明,上述水舱对于减小船舶横摇具有显著效果。石敬^[7]学研究室对被动式槽形水舱进行了系统试验研究,并不断在实船上安装使用,如“琼沙”客货船和“海关301”艇,效果箱单显著。其作用机理,主要是依靠结构物横摇产生的能量,使舱内液体左右摇晃波动,以抵抗波浪对结构物的横向扰动。

从当前公开发表的文献资料来看,有关直升机水上迫降漂浮特性的研究,主要集中于开展飞行器构型对静水面漂浮特性的影响、针对不同破舱位置和破损形式的机体抗倾覆能力分析,以及基于不同理论/数值分析软件的飞行器波浪运动响应分析预报^[8]等工作。虽然直升机自带的漂浮系统能为其水上迫降正立漂浮和应急救援提供正向支持,相关技术研究也对直升机的性能分析具有十分重要的意义。但当水上迫降发生时,流固两种介质的瞬时接触必然会引起巨大的局部冲击过载,从而破坏浮囊的完整性,导致出现直升机倾覆、沉没等不利情况。为降低直升机对应急浮囊的依赖性、提升直升机的水面漂浮能力,在机型设计阶段做好充分的方案论证和基于水上迫降漂浮特性的关键性装置使用预案十分必要。

现针对中国尚未有先例的直升机可收缩燃油区漂浮系统优化设计展开探索。基于某型直升机外形,采用数值仿真方法,深入分析不同油箱安装位置、几何参数及燃油分布状态下,直升机在波浪激励下的横摇响应幅值与减摇效率变化规律。通过系统性的油箱布局设计研究,提出一种将燃油箱与减摇水舱融合的创新型构型方案,归纳、界定适用于降低运动响应的最优油箱安装位置,对比验证以结构设计为切入点同步提升飞行器漂浮性能的可行性。以期为锚定水面漂浮特性设计目标的直升机海上迫降能力设计提供新思路,也可为总体设计、飞行动力学与结构布局等专业方向提供可量化的工程输入。

1 直升机模型及油箱设计参数

1.1 设计原理

关于直升机的减摇油箱,可采用船舶水舱的“双共振”原理进行设计,当燃油震荡与直升机横摇震荡具有相同的固有周期时,可有效减小直升机的横摇运动响应。满足该设计原则的直升机,其横摇角滞后于波倾角90°、油箱内的燃油晃荡滞后于直升机横摇角90°,因而油箱燃油滞后于波倾角180°,燃油产生的恢复力矩正好与波浪的扰动力矩相反,从而达到减小运动响应的目的。符合“双共振”条件的波浪、横摇、水舱的相位对比如图1所示^[7-9]。

1.2 计算模型

采用的计算模型为某宽体直升机模型,该模型为直升机水上迫降着水后的浮囊展开状态,模型二维示意图如图2所示,基础尺寸如表1所示。

1.3 油箱布置参数

为分析油箱对直升机横摇运动的影响规律,基于“双共振”原理,在直升机重心附近设置一系列单变量参数的油箱方案,通过分析加装油箱情况下直升机响应幅值算子,梳理直升机减摇油箱的关键设指标。共设计有11个油箱参数,其中,油箱0为未加装油箱的直升机模型;油箱1为加装油箱的直升机模型,该油箱中心与直升机重心重合;油箱2、油箱3基于油箱1进行油箱的垂向位置调整;油箱4、油箱5基于油箱1进行油箱的纵向位置调整;油箱6、油箱7基于油箱1进行油箱高度方向的尺度调整;油箱8、油箱9基于油箱1进行油箱燃油量即自由液面高度的调整;油箱10、油箱11基于油箱1进行油箱横截面尺度调整。主要参数如表2所示。油箱及燃油主参数定义如图3所示。参数均以机头为首、机尾为尾的直升机静止漂浮状态进行定义。其中,油箱长度为油箱首尾平面的垂向距离;油箱宽度为油箱两侧平面的垂向距离;油箱高度为油箱上下平面的垂向距离;油箱前端面与重心纵向距离重为心与油箱首平面之间的距离;油箱底面与重心高度差值为重心与油箱下平面之间的距离;燃油深度为油箱首尾端面燃油高度的平均值。

1.4 计算状态

以某宽体直升机为研究对象,以直升机在对应载重和配平情况下的横摇响应参数为对比分析参数,开展对应波浪频率为0.016~2 Hz条件下的直升机展开浮囊状态运动响应计算分析。整个计算过程均为横浪漂浮状态。

2 计算方法

基于势流理论假定,认为水流为均匀、不可压缩且无黏的理想流体。在自由漂浮状态下,背景主体周围流场中速度势满足的边界条件和拉普拉斯方程都是线性的,因此,可用迭加原理把直升机周围流场中的总速度势

φ ∧

(x,y,z,t)在参考坐标系内分解为

(1)

φ ∧

(x,y,z,t)=

φ -

(x,y,z)+Φ(x,y,z,t)

式(1)中:

φ -

(x,y,z)为飞机定常移动引起的定常兴波势;Φ(x,y,z,t)为流场中的不定常速度势^[10-11]。

在流体域内,各参量尚需满足以下关系。

(1)流体域内:

(2)$\nabla^{2} \varphi_{j}(x, y, z)=0, \quad j=0,1, \cdots, 7$

式(2)中:φ_j为速度势函数,下标j用于区分不同的势函数(j=0,1,…,7分别对应不同的流体或运动模式);$ \nabla^{2}$为拉普拉斯算子。

(2)自由面条件(在z=0上):

(3)φ_j-

2 U 0 i ω ∂ φ j ∂ x

U 02 ω 2 ∂ 2 φ j ∂ x 2

-k

∂ φ j ∂ z

式(3)中:U₀为来流特征速度;ω为角频率;k为波数;i为虚数单位。

(3)物面条件:

(4)

∂ φ j ∂ n s 0 = n j, j = 1,2, …, 6 ∂ φ 7 ∂ n s 0 = - ∂ φ 0 ∂ n s 0

式(4)中:

∂ φ j ∂ n

为φ_j在物面法向n上的偏导数;S₀物体表面;n_j为第j个模式下,物面处法向的给定参数;j=0,1,…,7用于区分不同模式;φ₀为基准模式或未扰动模式的势函数。

(4)地面条件:

(5)$\left.\frac{\partial \varphi_{j}}{\partial \boldsymbol{n}}\right|_{z=-d}=\mathbf{0} \text { 或 } \lim _{z \rightarrow-\infty} \nabla \varphi_{j}=\mathbf{0}, \quad j=1,2, \cdots, 7$

式(5)中:$ \nabla \varphi_{j}$为φ_j的梯度;z=-d为地面所在的z坐标位置。

(5)辐射条件:

(6)

l i m R R → ∞ ∂ φ j ∂ R - i k φ j

式(6)中:n=(n₁,n₂,n₃),r×n=(n₄,n₅,n₆); n为飞机表面指向内部的单位法向量;r为固定于动坐标系原点出发的位置向量;R=

x 2 + y 2

;无限水深时k=k₀=

ω 0 2 g

(g为重力加速度),有限水深时k=

ω 0 2 g t a n h (k d)

^[12-14]。

3 储备油箱设计方法

3.1 油箱对直升机的减摇效果分析

如图4所示为背景模型为单独外形和加装不同油箱情况下的横摇幅频特性曲线。从图4(a)同一油箱在不同垂向高度下的直升机幅值响应算子对比曲线可知,直升机内设置油箱时,能一定程度降低横摇响应参数,提升直升机的稳定性。此外,1#~3#油箱在相同尺度条件下,仅改变垂向位置其幅值响应算子变化较小。其中,1#油箱的中心与直升机重心重合,2#油箱中心位于直升机重心以下50 mm,3#油箱中心位于直升机重心以下100 mm,三者的幅值响应算子由小到大依次为1#、2#、3#。说明油箱的中心与直升机重心重合时能起到较好的减摇作用。

如图4(b)~图4(d)所示分别为同一油箱在不同纵向位置、不同油箱高度及不同燃油量的直升机幅值响应算子对比曲线。从曲线分布情况可知,不同油箱参数下,直升机的运动响应幅值算子相差不大,说明油箱纵向位置、油箱高度和自由液面高度的变化不会产生明显的减摇效果。

如图4(e)所示为相同油箱体积、变油箱截面积情况下的直升机幅值响应算子对比曲线。可知,油箱截面积对直升机的横摇响应结果会产生明显影响。其中,1#油箱为基准值且油箱中心与直升机重心重合;10#油箱与1#油箱底面形心重合,截面尺寸为后者的1.2倍;11#油箱与1#油箱底面形心重合,截面尺寸为后者的1.5倍。但从曲线结果来看,油箱截面积与直升机的横摇响应算子并不成正比关系,而是随着横截面积增加横摇响应幅值先增大再减小,并在1.2倍原始油箱截面积情况下取得较小值。

3.2 油箱方案优化设计

从图4所示曲线结果可知,在油箱垂向位置、纵向位置、油箱高度、液面高度及横截面面积等参数中,油箱中心与重心垂向距离及油箱截面积会对直升机横摇响应产生显著影响,而其他参数基本与横摇效能不相关。为进一步优化直升机的减摇油箱设计效果,基于上述影响规律,对油箱参数进行了进一步细化,经过反复的参数迭代和计算分析,油箱设计参数如表3所示、加装最优油箱的幅值响应算子结果如图5所示。

从12#油箱的幅值响应算子计算结果可知,加装该油箱后可将无油箱状态的直升机幅值响应最大值降低约12.3%[其中,无油箱时最大值为245.25°/m、12#油箱下最大值为218.24°/m]。从该数据来看,油箱在合理设置情况下还是能起到较好的减摇效果,在直升机设计阶段可利用该思想进行相关的结构设计。

4 油箱减摇效果分析

4.1 不同波浪频率下的减摇效果分析

为研究直升机加装12#油箱遭遇不同波浪参数时的横摇参数变化情况,基于波高0.05 m对应波浪频率0.56~1.25 Hz水面条件,开展直升机运动响应时域分析。如图6所示为波浪频率为0.56、0.72、1.1、1.25 Hz情况下,直升机加装油箱前后的横摇角随时间变化曲线。

从图6所示曲线结果可知,加装同一油箱方案的直升机在不同波浪频率下的减摇效果具有一定差异,具体表现为接近1.0 Hz附近时,直升机加装油箱前后的横摇角差异较大。产生这一现象的原因与波浪激励频率、直升机固有频率的匹配度及流体动力响应特性密切相关。在波浪扰动情况下,直升机的运动在各自由度方向均存在固有频率,当波浪频率接近或等于某一自由度的固有频率时,系统发生共振,导致该方向的运动幅值显著增大。此外,在1.0 Hz波浪频率附近,直升机浸湿长度与波长基本相近,此时,波浪会覆盖整个直升机水下结构,从而引起剧烈的横摇。

在直升机剧烈运动情况下,油箱燃油同样出现了相对剧烈的横摇响应,因油箱的设计充分考虑了水舱“双共振”原理,使得燃油晃荡产生的反作用力矩也相对较大,从而能较大程度降低波浪扰动对直升机所引起的不利运动干扰。

4.2 不同遭遇角情况下减摇效果分析

为进一步分析不同遭遇角下直升机安装油箱和不加装油箱情况下的横摇运动特性,将计算获取的横摇角时历曲线进行横摇双幅值取值分析,并引入减摇百分比这一判据对油箱的减摇效果进行判定。减摇百分比计算公式为

(7)η=

φ 无 油 箱 - φ 有 油 箱 φ 有 油 箱

×100%

式(7)中:φ_无油箱为未加装油箱的直升机横摇响应幅值;φ_有油箱为加装油箱直升机的横摇响应幅值。

选取运动幅度较大时的波高0.05 m,波浪频率1.1 Hz波浪参数进行分析,得到直升机在不同航向下,有12#油箱和无油箱下的横摇双幅值参数,计算结果如图7所示。相应的减摇百分比对比如图8所示。

当直升机处于顺浪、顶浪(遭遇角345°~15°、165°~195°)以及小角度艏斜浪(遭遇角135°~165°、195°~225°)、小角度艉斜浪(遭遇角15°~45°、315°~345°)漂浮时,直升机的横摇运动并不显著,是否加装油箱也未曾影响直升机的运动情况。

当直升机处于大角度艉斜浪(遭遇角45°~75°、285°~315°)漂浮时,直升机横摇幅值较大,但加入减摇油箱后可以减小直升机至少1.5°的横摇,对应减摇百分比约为17.3%,此时在第一个艉斜浪方向油箱的减摇作用随遭遇角增大而逐渐增加,在第二个艏斜浪方向油箱的减摇作用随遭遇角增大而逐渐减小。

当直升机处于大角度艏斜浪(遭遇角105°~135°、225°~255°)漂浮时,直升机横摇幅值更大,但加入减摇油箱后可以减小直升机至少1.2°的横摇,对应减摇百分比在14.4%左右,此时在第一个艉斜浪方向油箱的减摇作用随遭遇角增大而逐渐减小,在第二个艏斜浪方向油箱的减摇作用随遭遇角增大而逐渐增大。

当直升机处于横浪(遭遇角75°~105°、255°~285°)漂浮时,直升机的横摇幅值达到最大,在此区间内,油箱具有良好的减摇效果——直升机横摇幅度降低约2.5°,对应减摇百分比约为29.4%。

产生这一现象的原因,主要是横摇力矩直接由波浪横向冲击船体产生,横摇幅值最大。此时,外形及燃油参数较优的减摇油箱方案,在横浪情况下的液体晃荡惯性力与波浪力矩成180°相位差(即方向相反),横向晃荡所产生的力矩抵消效果也最强——双共振效应放大横向力矩。因此减摇效果也相对较强。这一规律与某科考船在横浪情况下减摇效率最强这一现象完全一致^[15]。

5 结论

以某宽体直升机为研究对象,对加装不同油箱的直升机进行了横摇运动响应分析,通过研究油箱布置位置、油箱尺寸、燃油量大小等参数对幅值响应算子的影响,掌握了基于提升漂浮运动能力的直升机油箱设计思路,完成了立足提升横摇运动性能的直升机减摇油箱方案优化。通过对比分析不同遭遇角下直升机的横摇双幅值和减摇百分比,掌握了遭遇角对直升机横摇运动幅值的影响规律。

(1)在本文中给出的油箱参数下,油箱垂向位置和截面积会对直升机的幅值响应产生有益影响;

(2)在横摇幅值响应算子对应的峰值频率下,直升机加装优化油箱后其横摇运动响应曲线显著降低,单侧横摇幅度减小了1°以上,减摇效果较为显著。

(3)当直升机加装目标油箱后,不同遭遇角条件下的横摇运动双幅值可降低1.2°以上,其中以横浪条件下的减摇效果最佳,减摇百分比可达29.4%。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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