直升机垂直下降时旋翼涡环飞行试验分析

从飞行试验角度介绍了直升机垂直下降飞行时的旋翼涡环特性,从空气动力学角度探讨了涡环形成的机理,分析了Wolkovitch判据、Peters判据以及高-辛判据等三种涡环判据的优点和不足。以直升机做放距阶跃飞行试验为例,得出了为避免直升机进入涡环的安全措施,并验证了高-辛判据的准确性和工程实用性。     

直升机涡环区域边界包线的确定

在旋臂式模型旋翼试验机上模拟直升机的垂直下降和斜下降飞行，试验中首次发现了旋翼进入涡环区域的特征现象－－旋翼轴扭矩的异常变化。在分析试验结果的基础上，探讨了确定涡环区域的方法，对美国Ｐｅｔｅｒｓ教授提出的涡环边界判据进行了试验修正，进而建立了一套通用的半经验算法，计算出涡环区域的速度边界包线。     

施瓦泽269型直升机涡环边界确定

本文针对一起典型的施瓦泽269型直升机做自转下滑训练时进入涡环状态的飞行事故进行分析研究。介绍了直升机涡环的形成机理,基于经典的高-辛判据方法计算得出施瓦泽269型直升机的涡环边界,并使用该型机对计算结果进行验证试飞,经综合分析最终确定了的涡环边界,为后续的特情飞行训练提供了技术保障。     

直升机涡环状态建模仿真研究

涡环对直升机的飞行安全具有很大的危害,直升机在陡下滑机动过程中可能会进入涡环状态.通过对滑流理论的修正,得到了适用于涡环状态的直升机旋翼诱导速度计算模型.以此为基础,进行了直升机涡环状态的实时仿真研究,给出了直升机进入涡环后典型的响应特征.仿真结果与试验/试飞结果具有良好的一致性,说明所建模型准确、可靠.     

直升机涡环状态和改出

涡环状态是直升机在下降或下滑飞行阶段一种固有的危及飞行安全的危险状态。它会导致直升机操纵失灵,在颠簸下跌中坠地失事,在我国也发生过多起这类事故,因而涡环边界的确定是保证直升机飞行安全的重要措施。本文介绍了国外直升机涡环状态及其边界的理论和试验研究现状,并重点介绍了我国对此问题的研究和我国学者如何通过模型试验及理论计算,结合飞行试验,得到了比国外的研究更为实用的直升机涡环状态边界的情况     

基于桨盘倾角的直升机涡环状态边界修正计算方法

首先对模型试验直升机和实飞直升机下滑角进行了对比,明确了桨盘倾角是使理想涡环曲线存在误差的主要原因,分析了斜下滑时直升机各姿态角随前飞速度增大的变化趋势,结合平衡方程和高-辛涡环判据,提出了计入桨盘倾角的实飞涡环状态边界计算方法,最后通过算例对计算方法进行了验证和分析。结果表明,基于桨盘倾角修正的涡环边界与试飞数据基本吻合,桨盘倾角对旋翼涡环临界值影响较大,且影响程度因机型而异。     

直升机涡环状态边界与飞行安全

介绍了直升机涡环状态的成因及国外对于涡环状态边界研究的现状,并对我国在直升机涡环状态边界研究方面的工作进展进行了重点介绍.     

直升机尾桨涡环飞行试验研究

根据样机右侧飞的飞行试验,对尾桨涡环现象进行了计算分析;根据右侧飞试验结果,估算出样机悬停回转时尾桨处于涡环状态的偏航角速度范围;将试验结果与国内外的涡环状态判据进行了对比。结果表明,国外的涡环判据不适用于样机的尾桨涡环状态判定,国内的高-辛判据与试验结果一致。     

旋翼涡环状态气动特性和参数变化的风洞试验

为了研究旋翼下降和涡环状态的流场及气动特性,在中国空气动力研究与发展中心Φ5m立式风洞中,完成了BO-105直升机桨尖马赫数相似旋翼模型的流场和测力试验。试验获得了旋翼悬停和垂直下降状态桨盘附近的流场,同时测量得到了模型旋翼拉力、扭矩等参数的变化。试验结果表明:高速粒子图像测速法(PIV)相机成功捕捉到了下降率增大时旋翼涡量向桨盘附近聚集的过程。垂直下降率在0.9左右时旋翼拉力和扭矩最小,分别只有对应总距角悬停状态拉力的60%和80%左右。在深度涡环状态,旋翼周围存在大尺度涡结构周期性形成和破碎现象,这种现象是旋翼拉力和扭矩剧烈波动的原因。斜下降相对垂直下降而言,旋翼的拉力和扭矩损失都较小。抛物线桨尖外形与常规的矩形桨尖外形相比,垂直下降气动特性并无显著区别。      

多旋翼飞行器涡环状态数值模拟

旋翼类飞行器在进入涡环状态时极易发生安全事故。采用基于非结构网格的滑移网格技术对多旋翼飞行器的气动特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。分别模拟了多旋翼飞行器垂直下降状态和30°斜向下下降状态时的流场,得到该状态下多旋翼飞行器的气动特性和滑流区流场规律,并分析了力与功率的变化规律。研究发现:多旋翼飞行器在垂直下降状态和30°斜向下状态均会进入涡环状态,在垂直下降速度为4 m/s时,多旋翼飞行器已经处于涡环状态,旋翼的拉力损失会达到15%,旋翼功率随下降速度的增大先增大后减小,且不同旋翼拉力大小和功率大小不一致。当30°斜下降速度为4~6 m/s时,多旋翼飞行器处于涡环状态。该结论可为多旋翼无人机的安全飞行提供参考。     

桨叶负扭度对直升机涡环状态影响分析

利用部分旋翼涡环状态试验数据，采用神经网络误差反向传播算法（BP 算法），研究了桨叶负扭度对直升机涡环状态特性的影响问题，分析了负扭度变化对旋翼扭矩，拉力平均值及脉动幅度的影响，模拟结果表明，使用该模型可准确预测桨叶负扭度对直升机涡环状态的影响，从而减少试验次数，节约试验费用。     

典型参数对盘缘封严性能综合影响机制

为了掌握典型参数对盘缘封严燃气入侵的综合影响机制,采用数值方法研究并揭示了燃气入侵形式与封严间隙涡系结构的内在联系,在此基础上设计了一种内环型盘缘封严结构。结果表明:增加转速和增加主流流量都会导致封严效率降低,但是二者的作用却是相互羁绊的;与传统孔口模型相比,内环型盘缘封严结构能够有效将回流区涡限制在封严间隙内,利用羁绊效应拓宽了高封严效率区域的工况范围,提高了盘缘封严性能。     

Computational Research of the Main Rotor Hover and Vertical Descent States Based on the Nonlinear Blade Vortex Model

The research is conducted of aerodynamic performance of the Mi-8 helicopter main rotor in the hover state and the vertical descent state, including vortex ring states (VRSs). Total and distributed aerodynamic performance, wake patterns, and main rotor flow patterns are calculated. The findings and results were compared with those provided by other researchers.     

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响。结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不同,右旋时,机翼气动力占旋翼拉力的15%,左旋时占旋翼拉力的9%;飞行器在垂直运动过程中,会引起在前飞方向的分力和低/抬头力矩变化;飞行器在垂直下降过程中,旋翼会进入涡环状态,机翼的存在有效降低了涡环状态的破坏作用,涡环降低气流对机翼翼尖冲击作用。该结果有助于飞行器的设计与安全飞行。      

Modeling of helicopter flight imitation in the vortex ring state

A method of imitating the helicopter flight on a flight simulator is proposed for the vortex ring state hover flight. Algorithms of artificial neural networks are used for the modeling. The method allows modeling the characteristics of the main rotor's loading during a dangerous descent of the helicopter.     

High-resolution simulation for rotorcraft aerodynamics in hovering and vertical descending flight using a hybrid method

A high-resolution simulation tool for rotorcraft aerodynamics is developed by coupling CFD with a Vorticity Transport Model (VTM). An Eulerian-based CFD module is used to model the blade near body flowfield, and a Lagrangian-based VTM module is employed for vortex tracking in the far wake. The coupling procedure is implemented by transmitting vortex sources to the VTM module and feeding boundary conditions back to the CFD module. The presented CFD/VTM hybrid solver is firstly validated by hover cases of three different rotor configurations. Simulation results, including the blade surface pressure distribution, rotor downwash, and hover figure of merit, exhibit favorable correlations with available experimental data. Then, a rotor operated in vertical descending flight with a fixed collective pitch is investigated. It is shown that the CFD/VTM coupling method is suitable for rotor wake simulation. Wake instabilities (far wake breakdown in hover and toroidal wake pattern in the vortex ring state) are successfully demonstrated with a moderate computational cost.     

大型飞机穿越微下击暴流风场的实时仿真(英文)

为在飞行模拟器中高逼真度地模拟在扰动风场中的飞行,研究了大型飞机在起飞着陆阶段遭遇微下击暴流风切变的实时仿真。基于涡环和Rankine复合涡原理建立了参数化三维微下击暴流模型。通过涡环倾斜和多涡环叠加方法实现了各种复杂微下击暴流风场的模拟。基于Boeing747-100飞机建模数据,系统推导了含风切变影响的六自由度动力学模型,给出了扰动风下气动模型修正的一般方法。对该机遭遇微下击暴流时实施纵向和横侧改出分别进行了控制器设计与仿真。研究结果表明,建立的三维微下击暴流模型可扩展性强,可用于模拟实际复杂风场。含风切变影响的大型飞机动力学模型合理有效。针对飞机从不同位置穿越风场,可采用不同的改出策略。整个模型可应用于飞行模拟器的实时飞行仿真。