04-(6)舰载直升机用发动机特殊要求研究-郑震山 吕日毅 颜仙荣

532 第二十五届（2009）全国直升机年会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 舰载直升机用发动机特殊要求研究 郑震山 吕日毅 颜仙荣 （海军装备研究院航空装备论证研究所，上海市，200436） 摘要：分析了舰载直升机在执行反潜、扫雷、反舰、警戒、两栖突击运输等海军特有任务时的作战使 用特点及其所处的使用环境特点，研究提出了舰载直升机发动机在配置数量、功率状态、功率裕度、 腐蚀防护与控制、抗振动/冲击、电磁兼容性以及四性等方面需要关注的特殊技术要求，供舰载直升机 发动机研制时参考。 主题词：舰载直升机 使用环境 涡轴发动机 技术特点 直升机对起降场要求低，非常适合搭载水面舰艇使用。其快速灵活的机动能力和水面舰艇持 久的续航力与强大的火力有机结合之后，大大拓展了舰艇编队的作战空间，提高了舰艇编队的综 合作战能力。目前，舰载直升机已成为海军装备体系的重要组成部分，世界各国均十分重。我国 也已发展了多型舰载直升机，并开展了舰载直升机特点的研究，但对舰载直升机用发动机的特殊 要求研究还不多。 舰载直升机的作战使用特点基本决定了发动机的性能要求，而使用环境则直接影响其功能和 性能。本文在分析舰载直升机的作战使用和使用环境特点的基础上，探讨舰载直升机用发动机的 特殊要求，供在发动机研制中考虑，以更好地满足舰载使用要求。 一、舰载直升机的作战使用特点 舰载直升机主要担负反潜、反舰、警戒、扫雷、两栖突击运输、通信联络、搜索救援、运输 补给等任务，其中反潜、扫雷、反舰、警戒、两栖突击运输等任务是海军特有的任务，使用上有 其特点。 在执行反潜作战时，需要经常使用吊放声纳进行搜潜，这就要求直升机能够低高度长时间悬 停。由于海上环境特殊，如，海水的流动性影响，悬停比陆地上困难得多。 在执行反舰任务时，既可利用直升机在目标海域进行搜索，发现、跟踪目标并将目标信息回 传，为编队提供目标指示，由舰艇进行攻击，也可利用自身携带的反舰导弹进行攻击。由于现代 导弹舰艇速度快、导弹射程远，因此，要求反舰直升机的机动性要好。 直升机反水雷具有安全、灵活、高效、快速反应等优点。目前，主要有三种方式：一是直接 拖带各种扫雷兵器进行扫雷；二是利用探雷设备探测，确定水雷位置，以猎雷方式清扫水雷；三 是由扫雷舰携带反水雷直升机进入雷区，然后由直升机拖带扫雷兵器进行扫雷作业。在进行扫雷 作业时，直升机需要长时间超低空飞行，同时要求直升机具有较大的拖曳力。 搜救直升机平时担负海上救援等抢险救灾任务，战时搜救落水、受伤飞行员和舰员，对于保 持部队战斗力和提高士气有重要的意义。在执行搜救任务时，直升机需超低空搜索目标，低高度 悬停，放下救生员和救生吊具等打捞落水人员，这与陆基救生可采用机降方式不同，对直升机低 空悬停能力要求较高。 舰载警戒直升机与舰艇编队伴随性良好，用于编队周围区域的早期预警，可以弥补舰载雷达 受视距限制带来的不足。在执行警戒任务时，要求警戒直升机能够快速赶赴任务区，能长时间在 任务区巡逻，升限要大，并能为任务系统提供足够的电力。 533 垂直登陆是现代两栖作战重要特点。为确保登陆行动的突然性，要求从敌岸基雷达视距（通 常 25~35海里）之外开始投送兵力，避免岸防火力攻击，这就要求突击运输直升机速度高、载重 大、航程远。 二、舰载直升机的使用环境特点 舰载直升机使用环境包括气候、生化等自然环境，运动、机械、电磁等舰船平台环境。 （一）自然环境 1.气候环境 （1）大气湿热。与陆地大气环境相比，海洋大气环境最明显的特点是湿热。我国南海、东海、 台湾省以南以及台湾海峡地区处于温带和亚热带，高温天数多，空气湿度大。空气温度短时间内 出现较大变化，易引起设备变形及部分连接点松动、系统漏气（油）、线路接触不良等故障。高温 使物体膨胀，导致 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的物理和机械性能降低。电子产品的性能会随环境温度的增加而下降、寿 命和可靠性会降低。潮湿影响产品的物理和化学性能，是造成腐蚀的主要根源，材料吸湿后会在 表面形成“水膜”，大气中的硫化氢、氧化氮、二氧化硫等会溶解在“水膜”中形成电解质液， 使绝缘介质性能下降，金属材料也因此产生化学腐蚀或电化学腐蚀。 （2）海上风浪频繁，风浪大、大雾天多，气候多变。北太平洋冬季出现浪高 2.4米以上的大 浪频率达 40~60%，夏季则是台风多发季节，风浪更大。海雾多发生在中高维度靠近大陆和冷暖 海流交汇的海面上，我国海南岛、东南沿海和辽东半岛沿海属于多雾地区。此外，我国地域广阔， 气候条件复杂，沿海地区，尤其是长江以北的沿海地区，在春、冬季节广泛存在结冰气候条件， 而结冰云层又主要集中在六、七千米高度以下，是直升机的大部分飞行活动空间。 2.生化环境 （1）海洋上空气盐雾非常常见，含盐量高，腐蚀性强。海浪溅起的水沫在海风撕扯下，会形 成盐雾，含有以氯化物为主的许多盐类。有数据表明，海上空气中的含盐量是内陆的 50~l00倍以 上。南海、东南沿海、北部沿海雾日多，盐雾盐分含量分别高达 99、84.1、33 毫克/立方米。盐 雾中的损坏作用主要有两方面，一是腐蚀金属和非金属材料，盐雾形成的强电解质会促进电化学 腐蚀，使金属表面的钝化膜破坏，从而失去防护作用；二是提供活性电解质溶液，造成导电性能 增强，加速腐蚀。 （2）霉菌易滋生。霉菌种类繁多，适宜生长的环境是温度为 24~31℃、相对湿度为 70％以 上，生长所需的营养物质主要是碳、氮化合物和无机盐，这些条件舰载直升机正常使用环境都能 提供。霉菌分解有机材料从中汲取养料，破坏材料的性能和结构，尤其是对复合材料的影响很大， 同时还分泌各种酸类，对金属产生腐蚀。 （3）大气污染严重。沿海地区工业发达，大气污染严重，空气中带有较大浓度的硫化氢、二 氧化硫、二氧化碳、氨气、氯气等，这些都能导致腐蚀加速。 舰载直升机用发动机长期在海洋环境下使用，高温、高湿、盐雾、霉菌、烟气等因素共同加 剧了腐蚀作用，腐蚀问题非常突出。 （二）舰船平台环境 1.平台大气环境 （1）冬寒夏酷。冷天，甲板散热快，温度较低；热天，甲板在烈日下暴晒，甲板温度和直升 机发动机舱内温度将急增，大大超过大气温度。 （2）流场紊乱。舰船在海上航行将在舰尾产生比较复杂的空气流场。舰船航行引起相对风， 在舰尾部形成“公鸡尾”气流，高速航行舰上建筑物会产生扰动气流区等等。 （3）有害烟气。舰船动力装置工作排出的高温废气与周围冷空气混合，在舰船周围形成高温 烟流。烟气中含有硫化氢、二氧化硫、二氧化碳等腐蚀性气体。 534 2.机械环境 （1）空间狭小。水面舰艇甲板、机库狭小。一般驱逐舰宽也不过 14~20米，如日本“朝雾” 级驱逐舰舰宽 14．6米，法国“卡萨尔”级驱逐舰舰宽 l4米，我国“旅沪”级导弹驱逐舰舰宽 l5.l 米。护卫舰等舰船的空间更加有限。 （2）舰体运动复杂。舰船在海上航行，受海上涌浪的影响，还会产生纵摇、横摆和升沉的运 动，造成舰体颠簸、倾斜。当风速为 23米/秒时，驱逐舰、护卫舰等会发生±30°的横摇、±8° 的纵摇和速度为 6米/秒的升沉运动。舰船的这些运动将给直升机起降、牵引、维护保障等操作造 成困难。 （3）船体振动持久。舰船航行，舰船的螺旋桨和主、辅动力就要运行，就会产生振动。有时 舰船会连续航行几天或几十天，舰船振动环境的严酷性就在于振动的持久性。 （4）电磁环境恶劣。舰船上电气、电子设备密集，有许多通信、导航、雷达和制导引导等设 备，发射功率大，在舰船周围形成较强的电磁场。 三、舰载直升机发动机的特殊要求 要提高舰载直升机装备的技术水平，充分发挥舰载直升机的最大效能，发动机必须适应舰载 直升机的作战使用和使用环境的要求： （一）发动机配置数量 舰载直升机安全性要求比较高，发动机配置一般采用双发以上 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。虽然现代航空发动机的 可靠性已得到了很大的提高，但是海上一旦有一台发动机故障时，单发直升机无法挽救，而双发 直升机可利用另一台发动机确保飞行安全；三发直升机甚至利用这种特性，特殊情况下关闭一台 发动机执行远距离飞行任务。 （二）功率状态 舰载直升机在舰上起降，在海面低、中空使用，飞行状态变化多，先进涡轴发动机应具有多 种功率状态，适应不同飞行状态的需要，以充分发挥直升机的效能。 1. 超应急工作状态，满足超低空执行任务时单发停车保证飞行安全的功率状态，一般要求能 够持续工作 30秒。舰载直升机执行反潜、搜救等任务时需要低空飞行、长时间悬停作业，执行扫 雷任务还拖带扫雷兵器，一旦一台发动机停车，直升机必须能在 20~30秒内做飞离机动，以确保 直升机安全，这就需要发动机能够提供超应急功率。NH-90直升机要求该状态功率比起飞功率高 15%以上，工作时间 30秒。 2. 最大应急功率状态，起飞和着舰过程发生单发停车时，正常工作的发动机提供该状态保证 舰载直升机继续完成起降，其功率比起飞功率大 7%~10%，时间不超过 2.5分钟。 3. 起飞功率，舰载直升机的起飞功率要求一般比最大连续功率高 11~14%，时间为 5~10分钟。 一般比同样起飞重量的陆基直升机用发动机的起飞功率要高 12~18%； 4. 中等应急功率，飞行中发生单发停车，正常工作的发动机提供该状态保证飞机继续平飞， 其功率比额定功率大，时间不超过 30分钟。 5. 额定工作状态，主要用于爬高、正常地面条件下起飞和悬停，其功率一般为起飞功率的 85%~90%，该状态为长航状态，在该状态下，可达到最大航程。 6. 最大连续功率状态，发动机能够长时间持续工作的状态，一般为额定功率的 80%~90%， 时间不限。 7. 慢车状态，发动机不掉转速、不熄火的稳定可靠工作的最低状态，功率一般不大于额定功 率的 10%~20%，时间一般有限制。 （三）功率裕度 1. 直升机海上使用发动机要留足功率裕度，造成直升机有效载重减少不少。 535 在海上悬停和舰上起降时，由于海水流动，无地面效应。其次着舰区扰动气流和舰船动力排 出废气形成的烟流吸入发动机，会造成发动机功率下降，进气压力畸变，稳定性降低。此外，有 风和海浪扰动等复杂气象条件下，直升机操纵性降低，着舰困难。因此，为了保证舰载直升机起 降的安全性、恶劣环境中良好的作战性能、使用的灵活性，舰载直升机必须具有大的功率和升力 储备以及良好的操纵性和机动性。相比陆基使用，发动机要多留些备用功率，陆基使用一般留 5% 的余量，舰上起降要求功率余量不应小于起飞功率的 7%。因此，舰载直升机有效载重比陆基直 升机减少不少，如我国某型舰载直升机最大起飞重量陆地上为 13吨，海上为 12吨，舰上起降则 降为 11.5吨。 2. 湿热造成发动机可用功率降低，舰载直升机发动机应当考虑按湿热天要求 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 高温环境下，空气密度减小，使得发动机可用功率比设计状态低，同时还增加了耗油率。在 气压不变时，气温每升高 10℃，干燥空气密度下降约 4%，对发动机功率、耗油率影响比较明显。 湿度对发动机性能也有明显的影响，原因是大气中含有水蒸汽以后，进入发动机实质是干空气与 水蒸汽的混合气体，气体常数、比热、比热容等参数都发生了变化，造成发动机功率下降、耗油 率增加。当相对湿度增加到 80%时，某型发动机耗油率将增加约 4%。夏天高温高湿地区，发动 机性能降低非常明显，加上旋翼效率降低，舰载直升机的起飞重量比设计值减少不少。某型直升 机在海南常年起飞重量与设计起飞重量差距达到 700~800千克。 因此，设计时应按经常遇到的比 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气要求更高的湿热天气条件来设计动力装置，保持一 定的功率储备，适应在低纬度地区的作战需求。陆基发动机一般以标准大气条件为设计点，而国 外舰载机用发动机通常将标准大气条件温度加 15℃即 30℃作为设计点。 3. 岸基直升机改舰载，应当适当提高发动机功率。 在陆基直升机基础上发展舰载直升机，通常会增加直升机空重，为保证性能不降低，大多舰 载直升机换装了比陆基型性能更好的发动机，否则应降低对舰载直升机的性能要求。如 SH-60B“海鹰”直升机空重为 6191千克，比其陆基型号 UH-60A“黑鹰”的空重 5l18千克增加 了近 1.1吨，增幅达 21％，为了保持作战性能，其发动机由UH-60A “黑鹰”直升机的 T700-GE-700 型，换成了 T700-GE-401型，单台额定功率由 1210千瓦提升到了 1342千瓦。 （四）腐蚀防护与控制 腐蚀对发动机造成极大的危害，使发动机的可靠性降低、使用寿命缩短，使用维护费用增加， 造成经济损失，甚至影响到飞行安全。因此必须加强舰载直升机发动机的腐蚀防护与控制，确保 发动机在其寿命期内满意地工作，不因腐蚀损害其耐久性和使用寿命，以下几点需要关注： 1. 发动机腐蚀防护与控制是一项系统工程，需要从设计、选材、制造工艺、使用维护修理等 各个环节进行综合分析、系统研究，选用抗腐蚀材料和涂层、采取密封防潮设计、研究确定合理 的工艺，开展零部件“三防”试验验证，配备发动机冲洗装置等措施，建立合理的腐蚀防护与控 制体系。 2. 环境谱是确定发动机耐久性的基础，也是提出腐蚀控制与防护设计要求、试验的依据，有 必要系统研究海军直升机用发动机的使用环境谱。 3. 从标准来看，目前可按 GJB242、GJB150等标准来开展，考虑国内这些标准主要是参照国 外较早标准制定的，需要在分析现有标准适用性基础上，参考国际上应用成熟的标准，制定和完 善发动机的腐蚀防护与控制标准体系。 （五）抗振动、抗冲击 直升机在舰上停放，舰体的振动将传递给发动机，着舰时直升机承受的垂直冲击载荷和横向 过载，也会传递给发动机。振动和冲击可能对发动机的结构和功能完整性产生有害的影响。直升 机在舰船上起降，接舰速度比陆基使用条件下要大，NH-90舰载型设计接舰速度达 4米/秒、EH-101 的允许着舰速度为 3.66 米/秒，而陆基型着地速度要求为 2 米／秒。每着一次舰就会发生一次冲 击，着舰冲击对发动机的影响不能忽视。因此舰载直升机发动机必须能够承受大的冲击载荷，保 536 证较长的使用寿命，具有良好的可靠性。 （六）使用高闪点煤油 陆基直升机使用的普通航空煤油（如 3号喷气燃料）闪点低、挥发性强。由于舰船运动可能 造成燃油泄漏，一旦遇到明火或电磁干扰，可能发生爆炸或失火的危险，因此在舰船上，要求发 动机使用高闪点煤油。舰载直升机发动机应能适应工作介质变化，保持正常工作性能。 （七）具备良好的电磁兼容性 舰载直升机的电磁环境复杂，为保证发动机正常工作，发动机的全部电气类附件应当贯彻电 磁兼容要求，对具有全权限数字控制系统的发动机，这一问题更要引起重视。 （八）具备良好的可靠性、维修性和综合保障 发动机的可靠性、维修性和综合保障直接影响直升机的作战效能、飞行安全和寿命费用。母 舰离港出航周期较长，远离岸基基地，后勤支援困难，环境恶劣，维修空间狭小，能够提供的保 障设备和人力等条件有限。而母舰搭载的舰载直升机数量有限，要求出勤率高；海上作战态势多 变，要求尽量缩短飞机维护保障时间。因此要求舰载直升机发动机具备比岸基使用发动机更好的 可靠性、维修性，同时要求有适应舰面条件的综合保障。 四、结论 舰载直升机的作战使用特点和所在的使用环境与陆基直升机不同，因此，对发动机的要求也 不尽相同，为充分发挥舰载直升机的能力，其配备的发动机也要适应其环境和使用特点，因此， 有必要充分研究舰载的特殊性，并在设计时予以认真考虑。 参 考 文 献 [1] 中国船舶中共集团公司编著，海军武器装备与海战场环境概论[M]，北京：海洋出版社，2007 [2] 傅百先，海洋环境及其对直升机飞行影响[J]，航空学报，1989，10（4）：B192～195 [3] 李磊编著，海洋战场环境概论[M]，北京:兵器工业出版社，2007 [4] 李星，王晓慧，舰载机三防设计技术研究综述[J]，装备环境工程，2006，3（4）：12～15 [5] 宋丰青，舰载直升机与陆基直升机差异说[J]，兵工科技，2005，（10）：46～49