ICS 49.120 V 35
HB 8651-2022
旋翼飞行器水面漂浮特性模型试验方法
Model test methods of floatation characteristic for rotorcraft
2022-04-24 发布 2022-10-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本标准按 GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第 1 部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。本标准由中国航空综合技术研究所归口。
本标准起草单位：中国特种飞行器研究所、湖北省标准化与质量研究院、湖北光谷标准创新科技有限公司、中国航空综合技术研究所、方鼎科技有限公司。
本标准主要起草人：江婷、张家旭、王明振、陶威、李继雄、魏飞、蒋荣、刘丽丽、万蓉、章新发、高家鸣、林志昆、姜盼、王超。
旋翼飞行器水面漂浮特性模型试验方法
1 范围
本标准规定了旋翼飞行器水面漂浮试验的试验目的、试验原理、试验项目、试验大纲、试验程序、试验数据记录与处理、试验报告编写等。
本标准适用于各类旋翼飞行器水面漂浮特性模型的试验。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1804 一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差
CB/T 3675-2016 水面船模耐波性试验规程
CB/Z 244 滑行艇船模阻力测试方法
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
旋翼飞行器 rotorcraft
由旋翼产生升力和操纵力的飞行器。
3.2
漂浮特性 floatation characteristic
与水面漂浮相关的水动特性包括稳性、运动响应特性及漂浮时间等。
4 符号
下列符号适用于本文件。
K ——波数;
mm ——模型质量，单位为千克(kg);
Mre ——恢复力矩，单位为千克米(kg ·m);
ncapsize ——倾覆次数，单位为次;
ntest ——试验次数，单位为次;
Pcapsize ——倾覆概率;
t ——时间，单位为秒(s);
T ——平均周期，单位为秒(g);
vw ——风速，单位为米每秒(m/s);
ZfA ——重心处垂向加速度，单位为重力加速度(g);
ZhA ——机首垂向加速度，单位为重力加速度(g);
ZtA ——机尾垂向加速度，单位为重力加速度(g);
λ ——波长，单位为米(m);
μ ——衰减系数;
ξA ——波幅，单位为米(m);
ξw/3 ——有义波高，单位为米(m);
τ ——模型缩尺比;
φ ——实时横摇角度，单位为度(˚);
φAm ——横滚峰值平均值，单位为度(˚);
Δφ ——横滚角变化值，单位为度(˚);
⑴ ——波浪圆频率，单位为弧度每秒(rad/s)。
5 一般要求
5.1 试验目的
旋翼飞行器水面漂浮试验的目的如下：
a) 获取试验模型漂浮状态下恢复力矩随横滚角的稳性变化曲线，为机上人员安全应急撤离的直升机大倾角稳定能力复核提供依据;
b) 通过测量和监测旋翼飞行器的漂浮运动响应、漂浮时间及稳定/倾覆状态，为旋翼飞行器应急撤离能力评估和撤离程序编制提供输入。
5.2 试验原理
漂浮特性模型试验是按照弗洛徳数相似模拟实机水面漂浮运动全过程，并对试验过程中模型的横滚角、恢复力矩、俯仰角、横滚角速度和垂向加速度等参数进行测量。
5.3 试验项目
该试验主要包括静稳性试验和动稳性试验两个部分。其中， 静稳性试验用于测量试验模型在水面静浮时，不同横滚角及其对应的恢复力矩，从而对旋翼飞行器的静稳性进行评价;而动稳性试验则是在不同水面及侧风环境下，对模型运动姿态、横滚角度幅值、角速度幅值和垂向加速度等参数进行测量和监测，从而开展模型水面漂浮过程的抗倾覆能力和漂浮时间评估。
5.4 试验任务书
试验委托方提供试验任务书，内容一般包括：
a) 试验目的;
b) 试验项目;
c) 试验模型;
d) 试验工况;
e) 试验要求;
f) 试验数据及精度;
g) 试验完成形式。
5.5 试验大纲
试验大纲一般包括：
a) 试验任务来源;
b) 试验目的;
c) 试验项目;
d) 试验模型;
e) 试验工况;
f) 试验设施及条件;
g) 试验方法;
h) 测试方案;
i) 试验数据处理原则及方法;
j) 试验完成形式;
k) 试验计划;
l) 应急情况处置及安全质量。
5.6 试验模型
试验模型主要包括旋翼飞行器机体、起落架(考虑放下时)和应急浮筒(但不限于)，其要求：
a) 试验模型几何尺寸、质量、重心、惯量及油箱区域体积与实机相应参数满足弗洛徳数相似准则，并能保证模型质量、重心、惯量满足试验工况配平要求。
b) 试验按弗洛德数相似准则组织实施，模型缩尺比的选取应综合考虑水池宽度、内部空间和实验室风浪模拟能力等要求。
c) 试验模型加工应满足如下要求：
1) 试验模型部件具有足够的刚度、强度和水密性;
2) 试验模型外形检验按照 CB/Z 244 对模型外形的要求执行;
3) 对于模型内部结构复杂、试验任务有特殊要求的机体内部燃油箱、具有气密性特殊要求的隔框按弗洛徳数相似准则进行相似模拟;
4) 在试验任务书有特别要求和研究需要的情况下，试验模型对具有失效状态的实机部件和可能破坏的部件(如浮囊隔舱失效、存在固有渗漏源的部件、机身破损舱段)进行等效模拟并开展整机模型试验;
5) 试验模型要求的破坏部件以外的触水部分，包括试验时可能被水浸湿的部分必须确保水密性;
6) 试验模型表面光滑无裂纹、外形光顺， 无明显扭曲及凹凸，并按照要求在模型相应位置标识出水位识别标识。
d) 试验模型组装和调平要求：
1) 若涉及试验模型组装，在完成试验模型部件加工后，应按照设计图纸对模型进行组装。
2) 完成组装后，将试验模型在平台上调至水平状态，测量模型上各测量点的坐标(参照实机坐标进行确定)。
3) 各测量点坐标与其理论值的公差应符合 GB/T 1804 中未注线性公差的要求。若未达到上述要求，则应进行制造偏离分析。
e) 试验模型状态调试要求：
1) 根据试验大纲要求安装试验测试系统，并对试验模型质量、重心及惯量进行调试;
2) 试验模型质量公差不大于 1%mm (模型质量大于 50kg 时，质量公差不大于 0.5kg)，模型重心纵向误差不大于 1‰L、横向公差不大于 1%B、垂向公差不大于 1%H，模型转动惯量公差不大于 10%;
3) 调试完成后记录各状态对应的测试系统和配重位置。
5.7 试验环境
试验环境包括试验环境温度、试验水温、试验波浪和试验风速等。试验波浪的模拟要求按 CB/T 3675 -2016 中 4. 1 的要求。试验前需按风、浪要求对造波机和风阵系统进行标定：
a) 浪高仪定点测量时离开造波机的距离大于最大波长的 2 倍，离开池壁的距离不小于 1.5m;
b) 测量不规则波波浪谱在试验水池中的有效覆盖范围;
c) 验证试验设备所模拟的风速、波浪参数满足试验精度要求， 静水无风状态，风速应小于 1m/s;
d) 应记录试验温度和试验水温。
5.8 试验设备
试验所需的设备主要包括试验模型状态控制架、造波机、风阵系统、试验模型保护装置、测试系统等。设备功能如下：
a) 试验模型状态控制架具有以下作用：
1) 固定试验模型;
2) 静稳性试验时控制试验模型横滚;
3) 动稳性试验时控制试验模型运动状态。
b) 造波机提供试验用波浪参数。
c) 风阵系统提供试验用风载参数。
d) 试验模型保护装置灵活可控、方便操作和控制试验模型初始位置及漂浮状态。
e) 测试系统一般由数据采集系统、天平、加速度传感器、惯性测量单元、浪高测试系统、风速风向仪、照相机和摄像机等组成。
主要试验设备应满足表 1 要求。
表 1 主要试验设备要求
5.9 试验场地
试验场地应能较为方便地开展试验模型的安装、拆卸、状态调整、数据采集等工作， 可选取相对开阔的水域，方便架设、安装与试验相关的测试系统的场所。具体要求如下：
a) 水池应具有一定的深度和宽度，以避免池壁效应对试验数据的干扰;
b) 试验场地应具有一定的风、浪防护措施， 场地内风速应不大于 1m/s，避免试验系统以外的风、浪对试验目标环境的干扰;
c) 单次试验结束后，试验环境可在较短时间内归零，以便及时开展后续试验。
6 试验程序
6.1 试验准备
6.1.1 文件准备
试验文件准备一般包括：
a) 试验委托任务书;
b) 试验大纲;
c) 试验模型设计报告;
d) 试验模型质量检验报告;
e) 试验模型舱室、舱门及应急出口布置图;
f) 试验前准备状态检查表;
g) 试验记录本。
6.1.2 试验模型状态准备
试验模型状态准备一般包括：
a) 按试验要求在模型上标识机身基准平面与机身的交线、应急出口/舱门的尺寸和位置、水线位置标线;
b) 根据试验大纲检查试验模型状态(质量、重心、转动惯量、试验环境预模拟参数、特殊要求部件(如油箱油量、部件失效情况)的模拟状态、附件安装等)与试验内容的一致性。
6.1.3 试验设备准备
试验设备准备一般包括：
a) 在试验水域安装试验模型状态控制架，并保证固定架上试验夹具与试验模型刚性连接;
b) 完成设备各系统的检查及维修，确保各系统运行正常;
c) 根据试验参数和精度要求，对造波机输出波浪、风阵系统输出风速进行标定;
d) 完成试验模型保护装置安装，确保试验过程中该装置能正常使用;
e) 完成测试设备试验用程序及通道表编写;
f) 确认测试仪器仪表在校准周期内并能正常使用。
6.2 试验步骤
6.2.1 静稳性试验
试验步骤应符合试验大纲的要求，试验程序的内容应包括(但不限于)：
a) 试验前按使用要求对测试仪表进行测试，检查试验系统工作是否正常;
b) 将试验模型安装在试验支架上，并保证试验模型沿 Z 轴运动和绕 X、Y 轴转动自由，连接测试仪器并调整;
c) 待水面平静后，在试验模型重心所在横向平面内，施加一定大小的静横滚角，待试验模型状态稳定后，测量并记录此时的恢复力矩;
d) 根据试验大纲内容开展试验：依次测量不同横滚角下，模型的稳定平衡力矩(曲线见附录 A图 A. 1)，摄录系统记录试验模型的全部试验过程;
e) 分析、处理所采集到的试验数据，确保试验按照大纲的要求有序开展，试验数据准确、有效。
6.2.2 动稳性试验
试验步骤应符合试验大纲的要求，试验程序的内容应包括(但不限于)：
a) 依次开启测试、采集系统、摄录系统、造风系统(有侧风要求时)和造波机，并将录像设备和照相设备的基准时间调成一致。
b) 试验正式开始前，以较低风、浪速度造波/造风，检查试验系统工作是否正常。
c) 试验时，根据需要选取初始航向角，一般可在 0˚ ~180 ˚ 范围内选取，试验过程中试验模型的自由度可通过试验模型状态控制架设定，可分别选取 3 自由度(沿 Z 轴偏移和绕 X、Y 轴转动自由)和 6 自由度状态。
d) 各试验状态的风速和波浪参数，按试验大纲要求进行模拟。
e) 规则波试验：根据试验大纲要求，在 1ξw/3/τ~1.6ξw/3/τ 范围内选取不少于 3 个波高值作为试验波高，并根据旋翼飞行器分类特点在 1/12.5～1/8 中选取波高波长比值作为波陡最大限值，进而确定该限值范围内的 4 个以上试验波长，结合上述工况开展规则波试验。单次试验时应有不少于 10 个的稳定振荡，完成后需待水面平静后进行下一工况试验，一般要求余波波高不大于所造波高的 5%。
f) 不规则波试验：根据试验大纲要求，选取不少于 3 个表征海况级别的有义波高、谱型心周期参数。试验时，各工况至少持续 5 分钟(实机)以上，完成后可连续进行下一工况试验。
g) 不规则波带侧风试验：根据试验大纲要求，选取不少于 3 个与实际海况相似的风浪等级参数(包括有义波高、谱型心周期、风速等参数)，打开造风系统造风，待风速达到试验要求并稳定下来后开始造波，保持风浪方向一致，各工况至少持续5/ 分钟以上，每个工况需重复 10 次，根据试验开展情况确定后续工况，完成后可连续进行下一工况试验。
h) 对于试验模型进水的漂浮特性测试，则应在试验模型进水区排水及干燥处理后再开展下一状态试验。
i) 对于上述试验，均应对试验模型姿态、漂浮时间、横摇角度幅值、角速度幅值等运动响应参数进行测量和记录。
6.3 试验中断及故障处理要求
6.3.1 试验中断要求
试验过程中发生下列任意一种情况时，应立即中断试验：
a) 试验模型变形或损坏;
b) 试验模型初始试验状态、试验环境与试验大纲存在较大偏差;
c) 试验设备故障;
d) 出现其他可能危及试验安全的情况。
6.3.2 故障处理要求
故障处理要求包括：
a) 试验模型变形或损坏时，则应对试验模型进行检修，直至试验模型满足 4.6 的要求才可恢复试验，并对受影响的内容进行复试。
b) 试验模型初始状态、试验环境与试验大纲存在偏差时， 应查明偏差原因并排除偏差，满足试验大纲要求后方能进行试验。
c) 试验中出现试验设备故障及其他危险中断试验后，应查明原因，排除故障和危险。根据故障属性和原因，确定是否对已试内容补试或重试。
d) 试验中出现试验模型初始状态偏差、试验过程试验模型状态超出预期等原因中断试验后， 应查明原因，根据现场实际情况，确定是否对中断时的试验状态进行重试;如不需要，则应尽快调整试验模型状态，恢复试验。
7 试验数据记录与处理
7.1 试验数据记录
试验测试人员应按试验大纲的要求，从试验开始时刻开始采集试验数据，数据的有效性应在试验结束后反复确认，再开展后续试验。试验数据原始记录表格式参见附录 B 中图 B. 1～图 B.3(但不限于)。
7.2 试验数据处理
7.2.1 静稳性试验数据处理
根据试验测量的静横倾力矩和横倾角度，参照附录 A 中图 A. 1 绘制静稳性曲线。
7.2.2 动稳性试验数据处理
7.2.2.1 规则波试验数据处理
7.2.2.1.1 试验曲线
滤波频率是将数据傅里叶(Fourier)变换后进行频域分析，然后通过频率谱选择信号输出的特征频率范围确定。
整理滤波数据，可得各参数的试验曲线。附录 A 中图 A.2 给出了横浪条件横摇角随时间的规则变化曲线。
7.2.2.1.2 试验结果
基于上述参数的试验曲线，可得试验结果如下：
a) 各参数双幅值：各曲线对应的波峰波谷差的最大值(正)。
b) 无量纲参数处理：
1) 无因次横摇振幅φA / KξA ;
2) 无因次机首垂向运动加速度ZhAL / gξA ;
3) 无因次机中垂向运动加速度ZfAL / gξA ;
4) 无因次机尾垂向运动加速度ZtAL / gξA。
分别以无因次频率 ⑴(L/ g)1/2 或波长机身长比 λ/L 为横坐标，上述无量纲参数为纵坐标绘制响应曲线，分析确定对响应参数影响较大的频率或波长机身比范围。
7.2.2.2 规则波/不规则波带侧风试验结果
按规则波试验中给出的滤波方法对试验结果进行滤波处理，可得滤波后的运动响应试验曲线。附录 A 中图 A.3 给出了不规则波条件下横摇角随时间的变化曲线。
不规则波试验结果的分析，除需采用滤波方法进行数据处理外，还应采用数理统计的方法确定试验模型的倾覆概率，见公式(1)：
Pcapsize = ncapsize……………………………………………(1)
n
8 试验结果评定
试验结果评定方法：
a) 对照试验任务书或试验大纲，检查是否全部完成规定的试验和测试内容;
b) 试验测试数据完整无丢失，试验照片和录像完整、清晰。
9 试验报告编写
试验报告应包括如下内容：
a) 试验目的;
b) 试验项目及要求;
c) 试验设备与测试系统;
d) 试验模型状态;
e) 试验方法;
f) 试验记录及结果;
g) 试验结果分析与评定;
h) 试验结论。
附录 A
(资料性附录)试验曲线
静稳定性试验曲线见图 A. 1，横摇角随时间变化曲线见图 A.2，不规则波条件下的试验数据见图 A.3。
图 A.1 静稳性试验曲线
图 A.2 横摇角随时间变化曲线
图 A.3 不规则波条件下横摇角随时间的变化曲线
附录 B
(资料性附录)
试验中涉及的记录表格式
试验中涉及的记录表格式参见图 B. 1，图 B.2 和图 B.3。
图 B.1 旋翼飞行器静稳性试验记录表格式
图 B.2 旋翼飞行器规则波/不规则波试验记录表格式
图 B.3 旋翼飞行器稳定/倾覆状态试验记录表格式
