高速直升机方案研究

对目前三种主流高速直升机——复合式、倾转旋翼／机翼式和转换式进行了综合分析；根据发展态势，比较了它们的构型、性能及关键技术等方面的优缺点，并对可行性进行了讨论。在此基础上．提出了一种旋翼／机翼转换式高速直升机方案，并对此方案进行了旋翼系统的原理性试验，对关键技术——模式转换过程进行了理论计算和试验研究。验证了直升机模式和飞机模式在相互转化过程中升力、功率和操纵的平滑连续性及保持操稳性；最后，根据研究结果，经过计算得出了此方案的总体参数。     

直升机关键技术及未来发展与设想

本文针对直升机特有的技术特点,尤其是其区别于固定翼飞机的飞行原理、复杂气动和结构动力学特性、极致重量设计等,对包括气动、振动、噪声、地面共振/空中共振、抗坠毁、安全性及重量控制等方面的直升机技术难点进行剖析,对问题产生的原因、机理进行深入浅出的分析,对当前技术发展情况及解决方法进行了阐述.随后对世界直升机技术发展方向进行了分析与探讨,提出未来直升机技术将以高速、绿色、智能化、无人及安全飞行等方向为重点,并结合我国直升机技术发展现状和未来发展趋势,提出了我国直升机技术未来发展的三个重要方向—先进直升机旋翼桨叶翼型设计技术、智能旋翼技术和高速直升机技术,提出了各发展方向的关键技术的科学内涵和解决途径,为我国直升机未来发展提供思路.     

鸭式旋翼/机翼飞机悬停状态飞行动力学特性

针对鸭式旋翼/机翼(Canard Rotor/Wing,CRW)飞机独特的气动布局,常规的分析方法及经验公式很难准确地对CRW飞机进行飞行动力学研究,通过飞行辨识对CRW飞机悬停状态特性进行了研究。首先,设计了飞行试验并获得了高质量的飞行数据,基于频率响应对CRW飞机的状态空间模型进行了简化。然后,在频域内对飞机的动力学参数进行了拟合优化,获得了CRW飞机悬停状态的动力学模型,并用飞行数据对所建模型进行了验证。最后,用辨识所得参数与常规直升机悬停状态时的参数进行了对比。结果显示悬停时CRW飞机的操纵导数和阻尼导数均比常规直升机小,经分析,操纵导数的减小主要是CRW飞机独特的旋翼设计所致,阻尼导数减小的原因主要是旋翼气动影响以及鸭翼、平尾、垂尾的结构影响。动力学特性分析结果为CRW飞机旋翼模式总体设计的进一步优化提供了指引和参考,所建立的模型可用于控制系统设计。     

常规旋翼构型复合式高速直升机发展概况及关键技术

对常规旋翼构型复合式高速直升机的发展概况及关键技术进行了综述。首先,结合常规旋翼构型复合式高速直升机的布局型式及操纵方式,介绍了该构型复合式直升机的一般概念。然后,根据常规旋翼构型复合式高速直升机的前飞动力结构特点,将其分为三种类型,并分别对不同类型复合式直升机的布局型式及其发展概况进行了梳理。在此基础上,针对目前该构型高速直升机所面临的问题,总结了该构型直升机的总体布局设计与优化、过渡模态操纵分配设计等关键技术。最后,结合国内外高速直升机的发展趋势,以及该构型高速直升机的特点,分析了常规旋翼构型复合式高速直升机的发展前景,并对其在我国的发展提出了初步建议。      

直升机旋翼塔总体设计与研究

为对新型直升机主旋翼系统进行充分地面验证,本文提出一种直升机旋翼塔总体设计方案,通过对设计输入、总体方案、塔体设计、驱动系统、测试系统、标定工装、试验厂房等方面进行总体设计与研究,制订了直升机旋翼塔总体设计方案,并开展了旋翼塔CAE建模和分析。CAE分析结果表明,旋翼塔模态等关键参数符合直升机主旋翼系统地面验证要求,证明了该直升机旋翼塔总体设计方案的可行性,本研究可为各类型直升机主旋翼系统的产品研发、地面验证提供借鉴和参考。     

鸭式旋翼/机翼无人机飞行动力学建模与分析

针对鸭式旋翼/机翼无人机兼有直升机和固定翼机飞行特性的特点,对其飞行动力学模型进行了理论建模与分析研究。应用动量理论建立了旋翼/机翼尾迹模型,分析了旋翼/机翼尾迹对鸭翼、平尾等气动部件的干扰特性,建立了直升机和转换飞行模式受旋翼/机翼尾迹干扰影响的动力学模型以及固定翼飞行模式的动力学模型。提出了各飞行模式的配平策略,使用Matlab工具箱函数简化了平衡特性计算和模型线性化过程,并进行了不同飞行模式、典型飞行状态的纵向运动稳定性分析。结果表明所建立的模型能够反映该类鸭式旋翼/机翼无人机各飞行模式的典型特性,并可用于飞行控制系统设计。     

共轴高速直升机/发动机交联控制方法研究

针对常规的旋翼总距前馈方法难以有效实现共轴高速直升机/发动机快速交联控制的问题,本文提出并设计了适用于共轴高速直升机/发动机的新型交联控制方法。首先,基于共轴高速直升机/发动机综合仿真平台,揭示不同运行工况下,共轴双旋翼、推力桨操纵输入、发动机燃油输入变化规律;其次,在此基础上,提出了综合考虑共轴双旋翼、推力桨桨距的增益自调节交联控制方法,并针对不同的运行工况,开展了数值仿真验证。结果表明,在中等、高速度飞行时,相比于常规的旋翼总距前馈,新型交联控制方法可使动力涡轮转速的超调与下垂量减小36%与70%,可使直升机/发动机快速交联控制品质更优,进一步提升直升机/发动机综合系统的控制品质。     

高速直升机前行桨叶概念旋翼技术

高速直升机通过构型的革新,可以在保留直升机使用特点的基础上提高飞行速度,是直升机未来的重要发展方向之一。本文对国外相继出现的各种构型的高速旋翼飞行器进行了简要回顾,介绍了采用前行桨叶概念旋翼构型的高速直升机,对前行桨叶概念旋翼的气动、动力学和操纵特性做了分析研究,并梳理了相关的在研关键技术。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

复合式共轴直升机过渡模式的操纵策略

根据复合式共轴直升机的构型特点,建立了上/下旋翼、机翼、机身、全动平尾、垂尾（含方向舵）和螺旋桨的气动力模型,并在此基础上建立了过渡过程的配平方程.针对过渡飞行过程的操纵冗余问题,分别采用线性过渡和功率最小优化过渡两种过渡飞行方案,对复合式共轴直升机的过渡飞行过程的操纵策略进行了研究.以样例复合式共轴直升机为例,进行了过渡飞行模式下两种操纵策略的配平计算,并对两种过渡操纵策略下的需用功率、操纵量和姿态进行了对比.结果表明:所述两种过渡方案均能解决操纵冗余问题,并能合理给出过渡模式的操纵量和姿态.在操纵量变化的平稳度、飞行控制的难易程度和飞行品质方面,线性过渡方案更优.      

直升机旋翼瞬态气弹运动有限元模型研究

从能量变分原理出发建立了旋翼的瞬态气弹有限元模型,模型考虑了旋翼转速加速度对桨叶动能变分的影响。采用叶素理论建立了桨叶在复杂流场中的气动载荷模型,模型计入了旋翼主轴纵倾和横滚角的影响,研究了流场风速分量的计算。运用所建模型仿真分析了直升机在护卫舰尾流场内起动时桨叶的挥舞、摆振、扭转(变距)等瞬态运动过程。模型可用于旋翼的振动仿真分析、噪声估计和故障诊断方法的验证。     

直升机“地面共振”力学模型的探讨

 <正> I_B 桨叶绕垂直铰的转动惯量I_(?),I_(?),I_(?) 机身绕过其重心O的x,y,z 轴的转动惯量ι 桨叶长度m_B 单片桨叶的质量     

失衡旋翼的直升机自激振动分析模型

直升机使用中很可能出现旋翼各片桨叶特性不一致的情况,为了研究失衡旋翼对直升机自激振动的影响,建立了适用于地面、悬停及前飞状态的旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。采用当量铰旋翼模型,计入动力入流的影响,分别在旋转坐标系和固定坐标系中建立了桨叶及机体的动力学方程。以减摆器失效对直升机地面共振的影响为例,对桨叶及机体的时域响应进行了非线性数值仿真,用Floquet传递矩阵法计算了摆振后退型模态频率及阻尼,并用时域分析进行了检验。结果表明,其中一个减摆器失效后,各片桨叶摆振运动特性相差很大,系统的摆振后退型模态阻尼下降幅度高达60%以上。     

直升机旋翼功率传递系数确定方法

阐明了在现有的直升机性能计算中,旋翼功率传递系数总是假定为常数,这种处理方法具有很大的局限性。文章详细地介绍了从飞行力学的角度来确定直升机平直飞行时的旋翼功率传递系数。首先,通过飞行力学中的配平计算得到直升机在不同飞行速度下的旋翼和尾桨的需用功率;然后,用试飞实测方法确定除旋翼和尾桨外的功率损耗;最终,得到直升机在不同飞行速度下的旋翼功率传递系数。认为:由于旋翼、尾桨的需用功率由飞行力学的配平方法得到,其结果能合理地反映飞行状态和直升机尾部构型等因素对它们的影响,加上除旋翼和尾桨外的功率由试飞实测得到,因而文中所述的直升机旋翼功率传递系数能更准确地反映直升机的功率传递关系。     

无轴承式旋翼桨叶固有振动特性分析

利用传递矩阵法,研究了无轴承式旋翼桨叶的固有振动特性,计算出了套管根部固支约束和弹簧约束时旋翼振动的固有频率,并给出了套管根部变距/摆振耦合对固有频率的影响,同时也研究了不同的模型参数对固有频率的影响,最后给出了根部弹簧约束时的部分模态振型.结果表明,套管根部变距/摆振耦合对固有频率影响不大,总距角对各阶模态频率影响比...     

Electromagnetic scattering characteristics of coaxial helicopter based on dynamic transformation method

With the development of coaxial rotors and high-speed helicopters, the electromagnetic scattering characteristics of coaxial helicopters have gradually become a research hotspot. In order to deal with the Radar Cross-Section (RCS) of high-speed rotating rotors or coaxial main rotors, a Dynamic Scattering Method (DSM) based on dynamic process simulation and grid coordinate transformation is presented. Instantaneous electromagnetic scattering from rotors and helicopters is solved using Physical Optics (PO) and Physical Theory of Diffraction (PTD). Important factors are analyzed and discussed in detail, including individual rotor rotation, azimuth, elevation angle, fuselage, pitch angle, and roll angle. The results show that the electromagnetic scattering characteristics of rotor-type components are dynamic and periodic. The dynamic RCS period of a single rotor is related to the dynamic RCS period of the coaxial main rotor. Choosing different observation angles and attitude angles has a great impact on the static and dynamic RCS of the helicopter. The presented DSM is effective and efficient to analyze and determine the dynamic electromagnetic scattering characteristics of conventional helicopters or coaxial helicopters.     

Development of swashplateless helicopter blade pitch control system using the limited angle direct-drive motor (LADDM)

It can be greatly beneficial to remove the swashplate of conventional helicopter, because the swashplate is usually complicated, aerodynamically resistive, and obstacle of more complex pitch control for improving performance. The present technologies for helicopter vibration reduction are usually narrow in effective range or requiring additional actuators and signal transfer links,and more effective technology is desired. Helicopter blade pitch control system, which is removed of swashplate and integrated high-frequency pitch control function for active vibration reduction, is likely the suitable solution at current technical level. Several potential implementation schemes are discussed, such as blades being directly or indirectly driven by actuators mounted in rotating frame and application of different types of actuators, especially implementation schemes of electro-mechanical actuator with or without gear reducer. It is found that swashplateless blade pitch control system based on specially designed limited angle direct-drive motor(LADDM) is a more practical implementation scheme. An experimental prototype of the finally selected implementation scheme has been designed, fabricated and tested on rotor tower. The test results show considerable feasibility of the swashplateless helicopter blade pitch control system using the LADDM.     

对转发动机模拟低压转子动力特性研究

建立了对转发动机模拟低压转子动力特性有限元分析模型,对转子的动力特性—临界转速和振型进行了计算分析,在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的动力特性验证试验,并对计算结果和试验结果进行了对比分析。研究表明:计算模型能反映模拟低压转子的真实动力特性,转子在额定工作转速范围内存在3阶弯曲临界转速,各阶临界转速均满足设计准则要求,各阶振型全部为弯曲振型,这是1个非常典型的带柔性轴的柔性转子。     

转子动力学优化设计

优化设计可以使转子支承系统具有先天优良的转子动力学特性, 优化支承的刚度与阻尼系数是使转子支承系统获得优良动力学特性的有效途径。本文采用传递矩阵-拟模态综合法分析转子支承系统的动力特性-临界转速、不平衡响应以及对支承动力参数灵敏度分析, 进而对支承动力参数作优化设计。本文所提出的方法已经过算例、模型试验及工程应用的证实。