Hover performance of helicopter main and tail rotors with swirl velocities

It is important to quickly predict the hover performance of main and tail rotors with sufficient precision for helicopter design. To investigate the effects of swirl velocities on the hover performance of main and tail rotors, and give a better prediction for the hover performance, a flight performance model was derived and a swirl velocity model was coupled into it. The test data of the UH-60A helicopter were used for validation. When the blade loading coefficient of the main rotor was higher than 005, the effects of the swirl velocities on the main rotor power became significant. The swirl velocities increased the profile torque of the main rotor. The increased torque required the tail rotor to produce more thrust with more power consumption. At a higher blade loading coefficient of the main rotor of 012, the swirl velocities increased the main rotor power, tail rotor power and total power by 380%, 524% and 508%, respectively. The profile power increase of the main rotor caused by the profile swirl velocity was less than that of the induced swirl velocity, but the power increase was higher at high rotor blade loadings. Considering the swirl velocities in the main rotor can improve the prediction precision of the hover performance, especially at high blade loadings      

加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行性能

为研究加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行性能,建立了加装格尼襟翼旋翼的直升机飞行动力学模型。采用UH-60A直升机试飞数据验证了计算模型的正确性。在此基础上,分析了样例直升机加装格尼襟翼后重量系数、格尼襟翼高度、沿径向位置和加装方式对旋翼需用功率的影响,以及加装格尼襟翼后旋翼桨叶剖面迎角分布、旋翼操纵量和机身姿态角的变化等。研究表明,直升机在重量系数较大的状态下高速前飞时,旋翼加装格尼襟翼能够明显降低直升机的需用功率,且加装转动格尼襟翼的效果优于加装固定格尼襟翼。功率降低幅值随格尼襟翼高度的增加先增加后减小。格尼襟翼在桨叶上布置的位置越靠近桨尖,其对需用功率的影响越大。直升机在重量系数较大的状态下高速前飞时,加装格尼襟翼能够使旋翼后行侧最大迎角显著减小。加装格尼襟翼后旋翼总距和纵横向周期变距减小。     

变转速模型旋翼挥舞摆振低阶载荷试验研究

为研究变转速旋翼挥舞和摆振方向低阶载荷,以无铰式复合材料模型旋翼为研究对象,通过试验研究,探讨了旋翼桨叶根部挥舞和摆振零阶及前3阶载荷随旋翼转速、前飞速度和旋翼拉力的变化关系。试验结果表明,在相同的配平条件(前飞速度、旋翼拉力、俯仰力矩及滚转力矩)下,降低旋翼转速有利于减小模型旋翼摆振零阶载荷,明显降低旋翼需用功率,进而提升直升机性能。当旋翼转速较低时,随着旋翼转速的降低,挥舞前3阶载荷幅值均较大。旋翼转速较低时,摆振弯矩前3阶也较大。当旋翼工作于摆振1阶共振转速附近时,旋翼挥舞前2阶和摆振前2阶载荷突增较为明显,挥舞3阶和摆振3阶变化相对较小,其中以摆振1阶载荷变化最为明显,需特别注意旋翼工作于共振转速附近时的载荷问题。     

变转速旋翼直升机性能及配平研究

 为研究变转速旋翼直升机性能及配平特性,本文以旋翼动力学综合模型为基础,研究了样例变转速旋翼直升机旋翼需用功率随旋翼转速、前飞速度、起飞质量和飞行高度的变化,以及旋翼总距、纵横向周期变距和桨轴纵横向倾斜角随旋翼转速和前飞速度的变化关系。研究结果表明,降低旋翼转速可明显降低旋翼需用功率,有利于提高直升机航时、航程和升限等性能指标。旋翼转速变化对直升机配平影响明显,配平限制了旋翼工作于过低的转速,另一方面,旋翼转速过低反而有可能增加旋翼的需用功率。旋翼总距和纵横向周期变距随旋翼转速的降低而加大,旋翼桨轴的纵向倾斜角随转速变化不大,横向倾斜角随旋翼转速的降低而减小。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

Numerical investigation of full scale coaxial main rotor aerodynamics in hover and vertical descent

The original free vortex wake model was used for numerical investigation. Calculation of the aerodynamic characteristics in hover and vertical descent modes in the range of vertical descent speed of 0–30 m/s including the Vortex Ring State (VRS) area was performed. The calculations were carried out under the condition of variable blade pitch angle values providing a fixed time-average thrust value. Visualization data of free vortex wake shapes, flow structures, and velocity fields were obtained and analyzed. The time-dependences of the rotor’s thrust and torque coefficients were obtained and analyzed. The obtained data allows determining the boundaries of the VRS area by various criteria such as rotor thrust and torque pulsations, growth of rotor power consumption relative to the hover, growth of rotor induced velocities relative to the hover, and growth of the required rotor blade pitch angles values. The results of the study are compared with experimental and calculated data of other authors and can significantly supplement the available results of experimental and computational studies in this area.     

倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰的试验研究

在模型旋翼台和风洞中,针对倾转旋翼机旋翼/机翼的两个主要干扰状态(悬停和低速前飞)进行了试验,分别测量了悬停状态不同机翼安装角和旋翼总距角、前飞状态不同机翼安装角和吹风速度等试验条件下的倾转旋翼拉力、扭矩以及机翼上下表面压力分布,并对试验结果进行了分析,得出了一些有意义的结论,为进一步研究倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰的特性问题做了些探索性的工作.     

旋翼转速优化直升机的纵向操纵性与稳定性分析

针对不同旋翼转速、桨叶弹簧刚度、平尾面积对旋翼转速优化(OSR)直升机操纵性、稳定性的影响,建立了飞行动力学模型,该模型以自由尾迹计算旋翼入流,考虑了旋翼尾迹对其他气动部件的干扰,最后利用差分法计算直升机的气动导数及操纵导数矩阵.结果表明:旋翼转速的减小,降低了直升机的操纵性,增加了旋翼的迎角稳定性,但增加桨叶根部弹簧刚度则会提高直升机操纵性,同时也会使得稳定性下降;而旋翼转速优化直升机的无平尾设计虽然降低了直升机的纵向稳定性,使得样例直升机处于飞行品质规范ADS-33E中的第3级水平,由此带来的不稳定模态的振荡发散周期较长,并且取消平尾后提高了直升机的操纵性,通过飞行控制系统完全可以抑制,因此无平尾设计方案对旋翼转速优化直升机而言仍然是可接受的.      

Design and application of an Electric Tail Rotor Drive Control (ETRDC) for helicopters with performance tests

With the development of electric helicopters’ motor technology and the widespread use of electric drive rotors, more aircraft use electric rotors to provide thrust and directional control. For a helicopter tail rotor, the wake of the main rotor influences the tail rotor’s inflow and wake. In the procedure of controlling, crosswind will also cause changes to the tail disk load. This paper describes requirements and design principles of an electric motor drive and variable pitch tail rotor system. A particular spoke-type architecture of the motor is designed, and the performance of blades is analyzed by the CFD method. The demand for simplicity of moving parts and strict constraints on the weight of a helicopter makes the design of electrical and mechanical components challenging. Different solutions have been investigated to propose an effective alternative to the mechanical actuation system. A test platform is constructed which can collect the dynamic response of the thrust control. The enhancement of the response speed due to an individual motor speed control and variable-pitch system is validated.     

悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析

建立了一套基于CFD(computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的剪刀式尾桨气动噪声预估技术和组合优化算法的尾桨外形参数设计方法。基于嵌套网格方法采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为尾桨流场求解控制方程,采用了一套适用于剪刀式尾桨悬停气动特性模拟的高效CFD方法。在流场分析的基础上,采用FW-H方程预测剪刀式尾桨在典型观察位置处的气动噪声。分别在控制总距以及控制拉力系数不变的情况下,以提高尾桨悬停效率同时降低气动噪声为目标,对剪刀式尾桨的剪刀角和轴间距两个主要外形参数进行优化设计。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法与遗传算法过程相结合,建立了一种有效的组合优化算法。结果表明:剪刀角和轴间距的不同组合可以通过削弱桨-涡干扰现象从而实现降低旋翼桨-涡干扰噪声的目的。在当前的计算状态下,优化得到的剪刀式尾桨的悬停效率比常规尾桨高16%,其平均声压级比常规尾桨降低了2.3 dB。      

基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量,基于不确定性多学科设计优化方法,对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的不确定性进行分析与建模,同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素,对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素;然后在协同优化框架下,分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型;最后以续航性能为系统学科,悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科,进行多学科的不确定性优化设计,得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案,该方案满足悬停需用功率低于350 kW,飞行稳定性指数小于0.8等约束条件的概率不低于95.46%,并且直升机的最大航时期望值也较大。     

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。     

变转速刚性旋翼性能与载荷风洞试验

为研究转速变化对旋翼性能与振动载荷的影响，研制了一副无铰式刚性缩比模型旋翼，开展动力学和马赫数相似的悬停试验与风洞试验。试验研究不同旋翼拉力和吹风速度时变旋翼转速对配平、性能、桨叶与拉杆载荷、桨毂载荷等多个方面的影响，以性能和交变载荷的重复性与周期性证明试验结果是可信的。结果表明：降转速可降低旋翼悬停和前飞状态的需用功率，且拉力越低效果越明显；降转速对桨毂振动载荷影响不明显，但增加了配平所需的周期变距操纵，会增加桨叶与变距拉杆的旋翼转速频率振动载荷，对旋转部件疲劳寿命不利；变旋翼转速应避开旋翼固有频率，防止因共振而导致交变载荷增大。     

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。      

独立桨距控制对直升机飞行性能的影响

为研究旋翼独立桨距控制对直升机飞行性能的影响,在已验证的直升机性能分析模型基础上,以UH-60A直升机为样例,通过输入不同阶次、幅值和相位角的独立桨距,分析直升机的需用功率和升阻比变化,在此基础上给出了旋翼桨盘内迎角和阻力系数的分布,探讨了独立桨距控制提升直升机性能的机理。分析结果表明：高速时,2阶和3阶的独立桨距控制可降低旋翼需用功率、提高直升机的升阻比,但提升效果有限,直升机起飞重量较大时,效果更明显;2阶耦合3阶的独立桨距控制对旋翼性能的提升效果比单独的2阶或3阶桨距输入更好,样例直升机的需用功率最多降低了4.5%,4阶的独立桨距输入则不利于提升旋翼性能;输入独立桨距后,旋翼桨盘迎角分布改善,后行侧迎角减小,有利于推迟失速,桨盘的后行侧的阻力系数减小,可有效降低旋翼的需用功率,提升直升机飞行性能。     

应用时间精确自由尾迹方法的桨叶总距突增响应特性分析

直升机旋翼的气动特性对总距操纵输入的动态响应具有复杂的非定常特性。文中结合尾迹模型、PC2B算法、桨叶气动模型、挥舞动力学模型、非定常翼型模型和旋翼平衡模型,建立了一个时间精确旋翼自由尾迹和气动特性分析方法。利用该方法,首先,计算了前飞时旋翼入流分布,以及悬停状态桨叶总距增加时拉力系数的变化,通过计算值与实验值的对比,验证了方法的有效性;然后,利用该方法对模型旋翼在悬停和前飞状态桨叶总距阶跃突增时的拉力系数、俯仰力矩系数、滚转力矩系数和挥舞锥度角变化的时间历程进行了计算分析,得出了一些新的结论。     

旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算研究

针对旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算问题,将CFD方法与Farassat 1A(F1A)公式相结合,提出了一种适用于旋翼干扰下的尾桨气动噪声数值计算方法。首先,应用所提出的方法进行了噪声的算例验证,并与参考文献结果进行了对比;然后,着重针对悬停和前飞状态旋翼干扰下的尾桨噪声及气动特性进行了计算分析,并与孤立尾桨状态进行了对比。计算分析结果表明:悬停状态下,旋翼干扰下的尾桨气动噪声水平显著大于孤立尾桨;而在前飞状态,由于旋翼尾迹对尾桨桨盘平面产生更强的气动干扰,这一现象会更加明显;同时,在旋翼干扰作用下,尾桨噪声的主传播方向也会发生明显变化。     

直升机旋翼流场特性PIV试验分析

基于PIV技术对悬停和前飞状态的模型旋翼流场进行了试验研究,对比分析了不同前飞速度、总距、转速、方位等条件下的旋翼速度场和桨尖涡运动,获得了在悬停和前飞条件下旋翼流动特性,为旋翼非定常流动机理研究和桨叶气动设计提供试验支持.     

旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性

和传统直升机相比,旋转机翼（CRW）飞机在旋翼模式前飞时各部件之间存在更为严重的气动干扰。为了获得旋转机翼/机身/鸭翼/平尾之间的非定常气动干扰规律,基于运动嵌套网格技术,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,建立了旋翼前飞流场数值模拟方法。首先对传统直升机旋翼/机身干扰模型进行了计算,验证了方法的可靠性,然后对某旋转机翼飞机全机在旋翼模式前飞状态下的非定常流场进行了数值模拟,并对各个气动部件上的非定常气动力和力矩的变化进行了分析。结果表明：飞机在旋翼模式前飞时,机身部件对旋转机翼的干扰较弱,在经过机身上方时拉力峰值仅略有增加;旋转机翼对鸭翼和垂尾干扰较弱,对机身和平尾干扰较强,随着前飞速度增大,旋转机翼对平尾的干扰会产生较大的升力损失和抬头力矩,需要引起重视。计算结果为该类飞行器的总体综合设计提供了参考。     

共轴式直升机上下旋翼之间气动干扰的风洞实验研究

 介绍了共轴式直升机在悬停和前飞时, 上下旋翼之间的气动干扰及干扰随前进比变化的情况。风洞实验结果表明, 悬停时, 在两旋翼的相互干扰中, 上旋翼对下旋翼的干扰较大, 拉力系数越大, 干扰相对增强。前飞时, 上旋翼对下旋翼的干扰减弱, 下旋翼对上旋翼的干扰增强。在前进比L = 0～0.05 之间, 上旋翼对下旋翼的干扰最大,L = 0.1 时, 下旋翼对上旋翼干扰最大,L = 0～0.1 之间, 两旋翼之间干扰较严重。