共轴式直升机地面共振机理分析

为理解共轴式直升机上下旋翼与机体之间的耦合作用,提出了一种分析共轴式直升机地面共振物理机理的时-频分析方法。考虑上下旋翼周期型摆振与机体俯仰和滚转自由度(DOF),建立了具有结构阻尼的共轴铰接式旋翼直升机地面共振分析模型。通过特征值计算和扰动运动方程的数值积分,获得了共轴式直升机地面共振的模态特性及时域响应特性,根据各自由度的响应特性揭示了旋翼与机体之间的相互作用。分析表明,具有上旋翼特征的摆振后退型模态是最不稳定模态。在动不稳定区内,上旋翼周期摆振与机体滚转自由度之间相互输入能量,是造成共轴式直升机地面共振的主要原因;对于该不稳定模态,下旋翼的周期摆振与机体滚转自由度之间也构成相互输入能量的相位关系,增加了直升机地面共振的动不稳定性。     

共轴式直升机地面共振的旋翼参数影响分析

建立了共轴式直升机地面共振分析模型,采用特征值分析法计算得到了直升机地面共振模态特性,分析了上下旋翼间距、旋翼摆振铰外伸量、摆振刚度及摆振阻尼比等旋翼设计参数对共轴式直升机动稳定性的影响。研究发现,减小上下旋翼间距可提高系统动稳定性,且不稳定中心远离工作转速;增大摆振刚度及旋翼摆振铰外伸量可提高系统动稳定性,且不稳定中心远离工作转速;增大摆振阻尼比可提高系统动稳定性,但不稳定中心稍接近工作转速。     

舰载直升机旋翼/机体非线性耦合稳定性分析

基于多体动力学方法建立了舰载直升机旋翼/机体耦合系统的动力学模型,其中机体起落架模型由非线性的液压作动器和橡胶轮胎两部分组成,而舰船的横摇和纵摇以简谐激励的形式通过起落架传递给旋翼/机体系统.针对不同的舰船激振频率,研究舰载直升机起动过程中旋翼/机体系统的时间响应历程和动力学稳定性.结果表明:舰载直升机的机体和桨叶摆振自由度在舰船激励下均会出现极限环振动现象,并且当舰船激振频率与旋翼旋转频率相等时会激发出旋翼的摆振后退型模态的极限环振动,使旋翼重心偏离桨毂中心,进而可能导致“舰面共振”事故发生.      

共轴双旋翼直升机扭振系统固有特性计算方法研究

区别于常规单旋翼带尾桨直升机,共轴双旋翼直升机具有独特的动力传动构型,其所构成的扭振系统特性也具有自身特点。采用模态综合法分析建立此类直升机的扭振系统动力学分析模型,通过算例对该系统扭振固有特性进行了计算和结果分析,验证了此种分析计算方法的可行性。结果表明,此方法可用于研究共轴双旋翼直升机扭振系统固有特性,同时该方法可在共轴双旋翼直升机初步工程设计阶段为旋翼及动力传动系统的设计提供一定的设计指导。     

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。     

共轴式直升机双旋翼载荷计算模型研究

理论计算和实验测量表明,共轴式直升机在悬停、前飞状态下,上下旋翼桨盘处轴向诱导速度分布与单旋翼直升机的相类似,本文根据共轴式直升机双旋翼这一特点,引入气动力相互干扰因子,将单旋翼直升机一阶谐波形式的Pitt-Peters静态非均匀入流模型推广到共轴式直升机,建立了一种共轴双旋翼载荷计算模型,为共轴式直升机飞行动力学建模作前期准备。以某共轴双旋翼为研究对象进行载荷计算,并与国外计算结果进行了对比,两者吻合较好。      

带机体状态反馈的直升机地面共振分析

建立了带机体状态反馈的直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型,研究了机体反馈系数对直升机地面共振的影响。根据Floquet理论采用传递矩阵法计算了系统的模态频率及模态阻尼,并用非线性模型的数值仿真进行了验证。结果表明,机体滚转角位移和角速度反馈能有效地提高摆振后退型模态阻尼;但当机体滚转姿态角反馈系数过大时,以挥舞后退型模态为主的旋翼挥舞与机体运动之间相互作用,导致直升机出现动不稳定性。     

基于机体当量化的滑橇式直升机地面共振分析

针对滑橇式直升机不便于建立空间模型进行地面共振分析的问题,提出了基于有限元将机体参数当量至桨毂中心,当量结果可通过扫频激振试验验证,再采用平面模型进行地面共振分析的方法。采用所计算的当量参数对某型滑橇式直升机地面共振进行仿真分析,结果表明:该型机机体一阶模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速在旋翼启动加速过程中可能达到,但系统具有足够的阻尼确保不发生地面共振;机体二阶以上模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速远大于额定转速,不会引发地面共振。     

直升机尾桨/尾梁耦合稳定性分析研究

单桨带尾桨直升机的尾旋翼设计成摆振柔软型后,带来了新的动力学问题:尾桨与尾梁耦合动不稳定性问题。本文简述了它与主旋翼/机体耦合动不稳定问题的差别,主要介绍了尾桨与尾梁耦合动不稳定性问题的分析方法,通过算例分析,为消除这种不稳定性,对一些关键设计参数提出了设计要求。     

共轴式直升机全差动航向操纵的动态响应分析

运用经典的垂直飞行涡流理论及共轴双旋翼全差动操纵的结构特征，推导了共轴式双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程。根据有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据，得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式。某型共轴双旋翼直升机计算实例，所得结果与该型直升机飞行特性一致。     

共轴式直升机飞行动力学仿真数学模型研究

 在讨论共轴双旋翼气动干扰模型的基础上,建立了一种共轴式直升机飞行动力学仿真数学模型。以某型共轴式直升机为样例机,在定直水平飞行条件下进行配平计算,并与国外计算结果作了对比分析,两者基本一致。给出了共轴式直升机在不同操纵输入下的动态响应数值模拟结果。仿真计算表明,所建模型能够刻画共轴式直升机运动的基本特征。     

重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模及空中共振稳定性分析

针对重型直升机（HLH）大重量、低转速的固有特性,提出了一种适用于重型直升机的飞行动力学刚弹耦合建模方法。该方法结合传统直升机飞行动力学与旋翼机体耦合动力学,将传统飞行力学的分析频段拓展到了5 Hz,额外考虑了桨叶和机体的弹性变形,基于阻抗匹配法推导出了显式的旋翼/机体耦合动力学方程,模拟了真实飞行状态下的直升机气弹耦合特性,利用该模型计算并分析了算例重型直升机的悬停飞行特性和空中共振稳定性。结果表明：旋翼机体耦合导致摆振前进型和机体弹性模态的阻尼-转速曲线先相互靠近至同一点再分离,可能引起直升机的高频瞬态振动;在摆振等效阻尼不足时,旋翼摆振后退型是不稳定的,但随着等效阻尼增加,摆振二阶周期型模态和机体弹性模态会出现耦合;桨叶弹性变形与机体弯曲模态及挥舞集合型耦合,但不会引起明显的不稳定现象。     

共轴式直升机旋翼气动干扰对航向操纵的影响

利用共轴式旋翼风洞实验结果，结合轻型共轴式直升机M16飞行中的现象，分析了上下旋翼气动干扰对共轴式直升机过渡飞行中航向操纵的影响。介绍了直升机由悬停转入垂直上升、平飞中加减速和转入爬升与下滑等过程中，由于上下旋翼干扰发生了变化，使直升机航向发生偏转后飞机的反应情况，以及在这种情况下应进行的相应操纵。所得结果对研究共轴式直升机的操稳特性有重要意义。     

基于涡环尾迹模型的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学建模

共轴刚性旋翼直升机上下旋翼间距小,旋翼间气动干扰较为复杂,影响飞行动力学特性。针对这一问题,利用涡环单元动态尾迹方法构建了共轴旋翼气动力模型,通过与风洞试验结果比对说明该模型能够准确地计算存在气动干扰时共轴旋翼的气动力特性。以该共轴旋翼气动力模型为基础,建立了共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为研究对象,计算了前进比为0~0.4时的配平特性。通过与飞行试验数据的比对发现：该飞行动力学模型与飞行试验结果比对良好;且模型计算速度较快。通过对配平结果以及旋翼尾迹运动的分析发现：共轴刚性旋翼直升机旋翼间气动干扰会增加悬停和低速前飞时的配平总距和总距差动;低速前飞时的纵向周期变距负梯度现象是由于旋翼间气动干扰与刚性旋翼挥舞运动特性叠加而造成的。     

共轴刚性旋翼直升机与单旋翼直升机操稳特性对比研究

为研究共轴刚性旋翼直升机与传统单旋翼直升机飞行动力学特性的差异,分别针对两种构型的直升机建立了飞行动力学模型。根据全机平衡方程进行了不同飞行速度下两种构型直升机的配平特性验证计算;依据“小扰动”假设建立了线化运动方程组,对悬停及前飞状态下的样例直升机进行了操稳特性的对比计算与分析。结果表明:两种构型样例直升机在操稳特性总体表现较为相似。在稳定性表现上,单旋翼构型直升机的非周期模态、螺旋模态及前飞时的操纵性能均优于共轴刚性旋翼构型直升机;不同于单旋翼构型,悬停及前飞状态下共轴刚性旋翼直升机的滚转与偏航操纵性能均变差。     

直升机滑跑地面共振特性研究

依据直升机定常滑跑平衡特性分析得到的起落架定常载荷、旋翼操纵量及定常挥舞,结合起落架轮胎和缓冲支柱的静、动特性试验数据,应用自由振动理论计算得到机体侧向和纵向模态特性随滑跑速度的变化规律;采用计入几何耦合的旋翼液压阻尼器动力学模型,计算了定常滑跑时旋翼周期摆振响应,并得到液压阻尼器在"双频"条件下的等效阻尼;应用平面动力学模型分析不同因素对直升机滑跑地面共振的影响。结果表明,滑跑速度会降低机体侧向模态的固有频率;某型直升机旋翼总距为2°时,在22.8~31 km/h范围内定常滑跑时,直升机遇到较大扰动时将发生地面共振,且旋翼总距增加会降低地面共振的滑跑临界速度;直升机定常滑跑时保持小总距,小扰动,则不会发生地面共振。     

直升机旋翼/机体耦合非线性系统的动稳定性分析

为了准确反映直升机旋翼／机体耦合系统的动稳定性，建立了旋翼／机体耦合非线性动力学微分方程，在时域内求解微分方程得到各片桨叶的挥舞、摆振及机体的响应用以对系统进行数值模拟；为了获得系统稳定性的定量值，用快速傅立叶变换(FFT)确定模态频率，用基于傅立叶级数的移动矩形窗方法得到模态阻尼。地面共振分析表明，时域分析与特征值分析结果具有良好的相关性，并与试验值吻合，从而验证了该方法的有效性。大总距时，用时域分析得到的模态阻尼与试验值吻合得更好，该方法可用于具有非线性减摆器的直升机旋翼／机体耦合系统的动稳定性分析。     

伺服小翼对小型共轴式直升机操稳特性的影响

运用经典的叶素法和一阶谐波理论,推导了计入气动干扰的伺服小翼挥舞动力学方程,建立了带有伺服小翼的小型共轴式直升机飞行动力学模型,以在研的某小型共轴式无人直升机为研究对象,通过数值法计算了该型直升机的稳定性导数和操纵导数。结合直升机的飞行试验,分析了不同安装形式的伺服小翼对小型共轴式直升机的稳定性和操纵性的影响。研究表明:伺服小翼对小型共轴式直升机的稳定性和操纵性有较大的影响,不同安装形式的伺服小翼对直升机的影响不同,其中采用上旋翼加装伺服小翼的直升机操稳特性较好。     

直升机着陆过程中动不稳定现象分析

通过分析某型直升机在尾起落架着地时出现的机体异常振动,建立了一种以直升机状态及操纵参数为基础,以时频分析为手段的地面动不稳定性方法。首先分析异常振动与正常振动的异同点,通过时频分析获得引起异常振动的现象特征。通过频率根源查找,最终找出引起异常振动的原因为机体的俯仰模态与旋翼摆振后退型耦合引起的一种动不稳定现象,并对引起该种现象的原因加以分析,给出改进措施,为今后的直升机动不稳定试飞技术提供参考。     

前飞状态直升机旋翼/机体耦合动稳定性分析模型

建立了前飞状态的旋翼/机体耦合动稳定性分析模型。采用扩展的Pitt/Peters动力入流模型将悬停与前飞状态统一起来;提出了一种适用性很强的隐式多桨叶坐标转换方法,进而取消了量纲分析及桨叶定常挥舞、摆振的小角度假设,结合Floquet传递矩阵法对系统进行了动稳定性分析。应用此分析模型对无铰旋翼直升机地面共振、前飞时孤立旋翼动稳定性进行了计算验证,分析结果与试验值吻合。