共轴刚性旋翼空气动力学问题与研究进展

基于共轴刚性旋翼独特的运动特征,分析了前后行桨叶气动载荷的巨大差异所引起的旋翼严重非定常气动特性,阐述了共轴刚性旋翼特有的升力偏置特性、双旋翼气动干扰特性以及桨毂阻力特性等若干空气动力学问题。在此基础上,针对共轴刚性旋翼的特殊气动问题,概述了目前在空气动力学基础理论、气动布局优化设计、桨毂减阻设计以及相应的气动特性试验等共轴刚性旋翼空气动力学领域的研究进展。最后,基于目前高速共轴旋翼直升机研究的瓶颈问题,指出了共轴刚性旋翼空气动力学领域后续的发展方向和研究重点。     

共轴双旋翼及孤立旋翼自转气动特性试验研究

为了研究旋翼自转状态下的气动特性,开展了孤立旋翼及共轴双旋翼自转气动特性试验研究.该试验设计了上/下旋翼具有不同安装形式的试验装置,可测得上、下旋翼及孤立旋翼的转速及其产生的气动力和力矩.通过风洞试验研究了共轴双旋翼以及孤立旋翼在自转状态下的气动特性,明确了旋翼转速及升力与影响参数之间的变化关系,对比分析了双旋翼上/下旋翼的相互干扰强度以及三片桨叶和两片桨叶的孤立自转旋翼气动特性,阐述了桨叶片数对旋翼稳定自转特性的影响,提出了提高直升机自转下降安全性的方法.     

共轴高速直升机振动载荷计算分析模型

共轴高速直升机上下旋翼之间存在强烈的气动干扰现象,这对旋翼的气动特性影响较大。本文根据这一特点并考虑气弹耦合计算效率,利用单旋翼自由尾迹模型的尾迹几何和固定尾迹计算的初始诱导速度分布作为共轴双旋翼预定尾迹模型的初始迭代值。与Leishman-Beddoes非定常动态失速模型、Pitt-Peters动态入流模型、共轴直升机上下旋翼桨叶全本征动力学方程及弹性桨叶与变距轴承边界约束条件等计算模块相结合,建立了一种考虑上下旋翼之间气动干扰及耦合迭代的共轴双旋翼振动载荷计算模型。为验证本分析模型的计算精度,以西科斯基公司的验证机XH-59A为研究对象,与国外风洞试验结果进行了对比,两者吻合较好。     

直升机旋翼翼型及桨叶气动外形反设计分析

建立了一个基于余量修正思想的直升机旋翼反设计计算方法,用于直升机桨叶的气动外形设计研究.使用Poisson方程为控制方程生成围绕桨叶的贴体网格;在悬停状态下建立了以Euler方程为主控方程的旋翼流场求解方法,并采用了嵌套网格方法进行数值计算;在流场计算及网格生成基础上,采用MGM方程作为翼型反设计方程,建立了一套直升机旋翼翼型及桨叶气动外形的反设计方法.应用该方法,分别对二维翼型以及悬停状态下的旋翼桨叶进行了反设计分析.反设计结果表明,在给定的目标压力分布条件下,使用本文方法分别获得了满足要求的二维翼型及直升机桨叶外形,并与目标压力吻合良好.     

直升机旋翼失衡特性分析

旋翼桨叶相互不平衡，是引起直升机附加振动的主要原因之一，减小桨叶间不平衡（本文称失衡）引起的直升机附加振动，工程上依据旋翼失衡诊断的方法，旋翼失衡诊断技术是正在研究的课题之一。本文针对旋翼失衡诊断技术中的旋翼失衡特性分析，应用叶素理论，导出直升机旋翼失衡情况下，桨叶的运动特性和引起的附加激振力特性的数学分析模型。为验证数学分析模型，对某旋翼试算了失衡下桨叶运动特性和附加激振力特性。结果表明，数字分析模型是合理的．本文为旋翼失衡特性分析提供了一种理论分析、计算方法。     

微型旋翼悬停状态气动性能分析方法研究

为了了解微型直升机工作时相关的气动知识,建立了一套微型旋翼悬停状态气动性能分析方法.该方法包含了低雷诺数下微型旋翼桨叶翼型的二维气动特性分析的CFD技术和旋翼气动特性分析的动量/叶素理论.对影响微型旋翼悬停性能的因素做了初步分析,合适的翼型弯曲、桨叶尖削等,有助于提高微型旋翼的最大悬停效率.文中还对分析的部分结果进行了试验验证.     

直升机旋翼模型结冰风洞试验技术

为满足我国直升机旋翼结冰风洞试验需求，中国空气动力研究与发展中心在大型多功能结冰风洞研制了直升机旋翼模型结冰试验系统，发展了旋翼模型结冰风洞试验方法和数据采集与处理方法，规范了结冰试验的流程，能够安全可靠地开展旋翼模型结冰试验研究。通过开展国内首次直升机旋翼模型结冰风洞试验，研究了典型工况下旋翼模型的结冰特性，获得了结冰过程中旋翼模型气动载荷和振动载荷变化特性。试验结果表明:随着结冰时间增加，旋翼拉力急剧下降，功率急剧增大；伴随着桨叶表面“冰脱落—生成—再脱落—再生成”过程，旋翼性能出现较大波动；旋翼桨叶表面出现冰脱落之前，试验数据重复性良好可靠。     

采用综合气弹分析方法的旋翼非定常气动载荷计算

提出一种桨叶结构、气动和惯性耦合的旋翼系统综合分析方法，将桨叶绕挥舞、摆振及变距铰的刚性转角作为广义坐标，计入了桨叶整体运动和自身中等弹性变形之间的动力学耦合效应，桨叶弹性变量通过有限元法进行离散，翼型剖面气动力采用Leishman—Beddoes二维非定常和动态失速模型，由自由尾迹模型得出桨盘的非均匀入流，依据柔性多体系统动力学方法推早出桨叶前飞状态下的非线性周期时变动力学方程。对Newmark隐式数值积分方法进行改进，用于求解旋翼桨叶的响应。以法国SA349／2小羚羊直升机的试飞测试数据为依据，验证了方法的有效性。     

无轴承旋翼直升机气动机械稳定性分析

采用模态综合技术建立了旋翼与机体耦合气动机械稳定性分析模型,并以采用无轴承旋翼的轻型直升机为研究对象,依据机体动力学特性试验数据和旋翼设计数据,进行了地面共振和空中共振分析.研究了一些设计因数对稳定性的影响,讨论了从设计上增大阻尼的方法和在分析方法上还应注重的研究内容,研究结果表明,安装减摆器,并提高其阻尼效率,以及设计对阻尼有利的桨叶气弹耦合是消除无轴承旋翼地面共振和空中共振的重要设计措施.     

翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

直升机旋翼模型风洞试验述评

为研制新型直升机,必须重视对直升机空气动力学的研究。本文简述了直升机旋翼模型风洞实验的重要性及与固定翼模型风洞实验的区别。根据直升机旋翼空气动力学的特点说明了开展旋翼风洞实验对风洞、模型及实验设备的特殊要求、着重说明直升机旋翼实验台是进行旋翼风洞实验必须的基础设备。同时对国外直升机旋翼模型风洞实验技术的发展状况作了简要介绍。最后回顾了我国直升机旋翼模型风洞实验技术研究方面取得的一些进展及与国外的差距。并对型号研制必须进行的一些风洞实验内容作了介绍。     

直升机空气动力学中的几个疑点

提出了在直升机空气动力学的某些文献里存在的三个疑点：(1)滑流理论能否用于微观分析；(2)叶素理论(即使在处理垂直飞行问题时)中沿半径的诱导速度分布能否认为独立于桨叶安装角分布；(3)前飞时沿方位角的诱导速度分布究竟如何?通过分析讨论，本文给出了一些结论。     

直升机复合材料尾桨叶疲劳试验研究

本文采用单点疲劳试验加载方法实现直升机复合材料尾桨叶疲劳试验挥舞、摆振、扭转方向的交变载荷协调加载，与以往多点、多向桨叶疲劳试验加载方法相比，试验设备简单，调试方便，可以达到较高的精度。复合材料桨叶在生产过程中常常在其内部带有气泡等缺陷，使得桨叶生产报废率偏高。本文主要研究这些缺陷对复合材料桨叶疲劳寿命的影响。疲劳试验结果表明，存在一定气泡缺陷的复合材料桨叶仍能满足规定的疲劳寿命。     

2米旋翼模型试验系统研制

旋翼模型试验系统是开展直升机理论与技术研究、新机研制的最基本和最重要的试验设备。本文简介由南京航空学院研制的2米旋翼模型试验系统、它的设计思想和主要特点等。该系统主要用于开展直升机空气动力学、动力学和飞行力学等方面的试验研究,也可直接为直升机型号研制服务。其主要设计原则是满足试验要求、与现已有的风洞相匹配和满足可行性与灵活性要求等。 本文对旋翼模型、操纵与激振系统,动力、传动系统,测量系统,数据采集与处理系统,安全监控与报警系统,以及中央控制台与显示系统等的主要特点均作了简略叙述;还简要介绍了系统调试中的几个问题:温升、振动、天平标定及变距标定等。 系统调试完成之后,已成功地进行了几个典型的空气动力学与动力学试验。试验结果达到预定要求,表明该试验系统的研制是成功的。     

直升机旋翼旋转噪声的估算

准确地预估直升机噪声水平是直升机噪声研究的主要目标之一。本义以Farassat的亚音速时域公式1A为基础,给出了旋翼旋转噪声的估算方法,适用于任意观察位置和各种直线飞行状态。在不考虑桨叶弹性的条件下,导出了用于数值计算的延迟时间方程和声压计算公式中各被积函数的表达式。本文以国内Z—8直升机旋翼和国外1/4缩比的UH—1旋翼模型为算例,对悬停飞行条件下的旋翼旋转噪声进行了计算。在此基础上,讨论了桨叶叶尖马赫数、桨盘载荷和桨叶翼型对噪声的影响。     

F数缩尺法旋翼颤振动力相似模型设计

本文介绍用F数缩尺法设计直升机旋翼颤振相似模型的方法。文中首先根据微分方程,应用方程分析法建立了旋翼弯曲颤振的相似准则数,然后以Y-2复合材料桨叶为例,设计了缩尺比为1/5的旋翼颤振动力相似模型,得出了初步结论。     

直升机自适应桨叶模型的初步实验研究

为了研究压电陶瓷对复合材料模型的驱动性能，掌握其规律，为自适应旋翼的研究打下基础，文中模仿直升机桨叶设计了一个典型模型试件，利用压电陶瓷在不同布片方式下对其进行驱动，使其产生弯曲和扭转变形。不同条件下的对比实验表明，压电陶瓷作为驱动器可以达到比较好的驱动效果。     

旋翼与机身耦合的多柔体动力学方程

在分析旋翼系统的挥舞、摆振和变距运动的基础上，应用柔性多体理论建立旋翼系统的动力学方程，并利用超单元技术建立机身动力学方程，然后根据模态综合技术建立旋翼与机身耦合系统动力学方程。同时作线性处理，计算一个简单模型的固有频率，为旋翼与机身耦合系统的振动特性和响应分析提供一种新模型。     

基于非定常RANS方程的刚性旋翼流场分析

为了掌握刚性直升机旋翼在高速飞行条件下的关键气动特性，本文通过求解三维非定常雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程并基于多块结构化网格有限体积方法(Finite volume method, FVM)对直升机旋翼悬停及前飞状态的复杂绕流流场进行了数值模拟，讨论了动态流动分离、展向流动影响及反流等复杂气动特性的影响。分析了旋翼总距对气动载荷的影响及后行阶段的非定常反流效应，并分别揭示了该旋翼在悬停和大速度前飞状态下显著不同的气动力规律。数值计算表明，悬停状态该旋翼拉力值随总距线性增大，而在大前进比(Advancing ratio, AR)飞行时，其后行侧桨叶根部反流导致截面非常规压力分布，拉力主要由前行侧桨叶提供。数值预测结果与风洞试验结果的比较显示了良好的一致性。