旋翼布局对共轴刚性旋翼直升机气动特性影响研究

为研究旋翼布局对共轴刚性旋翼直升机气动特性的影响,建立了一种基于计算流体力学(CFD)技术的共轴刚性旋翼直升机全机气动干扰分析方法。通过某模型旋翼进行计算并与试验数据对比,验证了该方法的正确性。然后,针对旋翼间距、旋翼轴前倾角和桨毂中心相对直升机重心位置对共轴旋翼与旋翼/机身的气动特性进行了研究,分析了旋翼布局改变对共轴旋翼及旋翼/机身气动影响。结果表明：3个旋翼布局参数改变对悬停及前飞状态的气动特性均存在一定影响,其中旋翼轴前倾角影响明显;随旋翼轴前倾程度增加,悬停状态下轴向速度峰值与机身上表面相对压力峰值出现前移情况,前飞状态下桨毂中心后侧的轴向速度和机身上表面相对压力数值均有所减小。     

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。     

操纵策略对高速直升机前飞性能的影响分析

针对共轴刚性旋翼高速直升机的操纵冗余问题，开展基于旋翼/推力桨气动力分配的操纵策略研究，并分析其对飞行性能的影响。首先，基于动量-叶素理论与尾迹叠加模型发展了共轴刚性旋翼和推力桨的气动模型，并采用动量源方法建立计入旋翼干扰的机身气动力CFD计算模型。其次，根据所建立的各部件气动载荷求解方法，构建高速前飞状态全机操纵与姿态配平方法。最后，分析旋翼/推力桨不同气动力分配的操纵策略对高速直升机飞行性能的影响规律。研究发现，直升机在巡航高度高速飞行时，旋翼提供部分牵引力可以有效增大高速直升机的最大前飞速度，而操纵策略改变对斜爬升率影响不大。     

共轴双旋翼自转气动特性

为了研究共轴双旋翼自转状态下的气动特性,开展了共轴双旋翼自转气动特性理论和试验研究.采用叶素理论计算旋翼力及力矩特性,引入气动干扰模型及动态入流捕捉旋翼流场的变化,对共轴双旋翼自转状态下的气动特性进行了理论分析和计算.风洞吹风试验与理论模型计算对比分析表明:旋翼转速较大时的误差小于5%,验证了理论模型的有效性.获得了上/下旋翼转速及升力随着总距角、后倒角、上/下旋翼间距及风速的变化关系.对比分析了上/下旋翼的相互气动干扰强度,获得了有效的共轴双旋翼自转时旋翼拉力分配的计算方法.      

共轴刚性双旋翼/机身干扰流场数值模拟

采用滑移网格技术求解Navier-Stokes (RANS)方程的方法,研究了共轴刚性双旋翼/机身的干扰问题。通过Caradonna-Tung旋翼、Robin直升机、Maryland直升机旋翼/机身干扰和Harrington 2共轴双旋翼等算例,验证了所提出的旋翼流场数值模拟方法的正确性。在此基础上,以Maryland机身为原型,分析了不同桨距的共轴刚性双旋翼与机身之间的干扰特性。结果表明:所提出的数值模拟方法能够很好地模拟共轴刚性双旋翼/机身的气动干扰特性;由于机身对于共轴刚性双旋翼下洗流场的阻滞作用,旋翼的悬停效率增加5%左右,并且随着拉力系数的增大使得悬停效率的增量更加明显;旋翼的悬停效率增加主要来源于下旋翼0°方位角附近的桨叶升力系数的增大,并且拉力系数的增量由桨根向桨尖方向逐渐减小。      

共轴式双旋翼悬停流场的水洞PIV测量

采用粒子图像测速(PIV)技术,对共轴式双旋翼在悬停状态下的流场进行水洞实验,测量得到旋翼流场的涡量和速度分布,桨尖涡的结构和脱落轨迹等直观整体的图像,研究了共轴式双旋翼悬停流场的气动干扰特性.为了比较,对单旋翼也进行测量.实验结果为直升机的气动计算和合理设计提供了可靠的实验依据.      

高速直升机共轴刚性旋翼悬停气动特性的参数影响研究

共轴刚性旋翼是未来高速直升机的重要发展方向，开展气动特性参数影响研究具有重要的实际指导意义。基于计算流体力学（CFD）技术，本文建立了一个计入配平分析的共轴刚性旋翼气动特性计算方法。在该方法中，采用NavierStokes方程为控制方程，使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散，选取隐式LU-SGS格式进行时间推进，湍流模型则为Spalart-Allmaras(S-A)模型，上下旋翼间的流场信息交换采用运动嵌套网格方法实现；通过Newton-Rhapson迭代方法求解旋翼操纵增量，可实现共轴刚性旋翼的有效配平。然后，应用所建立的方法，开展了共轴刚性旋翼悬停状态下的气动性能计算，着重分析了上下旋翼间距尤其是桨叶气动外形参数对共轴刚性旋翼气动特性的影响。结果表明，负扭转可以提高共轴刚性旋翼悬停效率，但与负扭转分布相比，采用正扭转分布，会降低共轴刚性旋翼悬停效率。     

复合式常规旋翼高速直升机机身气动布局风洞试验研究

复合式常规旋翼高速直升机是国内外高速直升机重点发展的几种构型之一。本文首先简要介绍了某300kg复合式常规旋翼高速直升机的机身气动布局形式，针对该机设计并加工了1∶1.5机身风洞试验模型，在4m×3m风洞开展了机身气动特性风洞试验。通过对比不同机身部件组合状态在不同迎角、侧滑角条件下的气动力及纵横向气动导数，获得了全机及各部件气动性能。根据风洞试验结果，结合已建立的旋翼气动力模型和螺旋桨气动力模型，建立了全机飞行力学模型，并分析了不同飞行速度下全机的静稳定性，验证了该复合式高速直升机具有合理的机身气动布局，研究结果可为复合式常规旋翼高速直升机的进一步发展提供参考。     

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。     

共轴双旋翼桨毂减阻初步分析研究

基于CFD方法对不同构型的共轴刚性双旋翼桨毂阻力特性进行了对比分析研究,得出了桨毂气动阻力随不同曲线构型桨毂整流罩和不同构型连接轴整流罩的变化规律,建立了共轴双旋翼桨毂气动减阻方法.分析结果表明：构型3（钝椭圆＋翼型形状）的桨毂阻力比构型2（钝椭圆＋圆柱形）的桨毂阻力减小19％,构形3（钝椭圆＋翼型形状）桨毂阻力比构型1（尖椭圆＋圆柱形）桨毂阻力减小30％,构型3（钝椭圆＋翼型形状）为最佳减阻构型.     

共轴刚性旋翼悬停状态地面效应气动特性

为了研究地面效应下共轴刚性旋翼的气动特性，建立了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的气动干扰数值方法，采用运动嵌套网格模拟双旋翼的反转运动。地面采用无滑移边界条件，并对旋翼和地面附近的网格进行加密，以更好地捕捉旋翼的流场细节和尾迹特征。计算结果与Lynx尾桨试验结果进行对比，验证了所建立方法的有效性。对地面效应下共轴刚性旋翼的气动性能和流场进行分析，结果发现：相对于单独的上下旋翼而言，共轴旋翼地面效应下的拉力增益更大，这是由于上下旋翼桨叶表面的压强干扰受地面高压的影响而减弱；地面的干扰主要影响双旋翼尾迹的径向位置，对其轴向位置影响不大，上下旋翼尾迹在地面附近相互融合、分裂，形成复杂的桨尖涡尾迹；双旋翼在地效下的尾迹径向扩张半径比单旋翼大，这是由于双旋翼的径向射流速度更大；随着旋翼距地面高度的增加，双旋翼间的气动干扰强度逐渐恢复，因此下旋翼拉力增益的下降速度比上旋翼更大；共轴旋翼桨尖涡相对卷起高度和扩张半径均随离地高度增加而减小。     

悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转气动特性

针对桨叶气动性能的提高,建立了一套基于悬停状态的共轴双旋翼桨叶扭转设计方法.在该方法中,设定单旋翼桨叶扭转几何安装角,通过仿真验证,合理的桨叶扭转,可提高旋翼性能7.0%;根据桨尖涡对桨叶的影响,以及共轴双旋翼气动特性,分别对桨尖几何安装角及上下旋翼几何安装角进行修正,实现悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转设计.最后,对所设计的共轴双旋翼进行模拟仿真,结果表明该扭转翼较未经扭转的矩形翼升力提高了10.3%.      

复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析

对复合式高速直升机的旋翼两侧不同强度下洗流对机翼的气动干扰分析,可以为类似构型直升机的气动外形设计及优化提供一定的参考。采用动量源方法对复合式高速直升机悬停及前飞状态的流场进行数值模拟,分析旋翼两侧不同强度的下洗流对机翼的气动影响,研究改变旋翼桨盘高度和机翼展弦比对气动特性的影响。结果表明：复合式高速直升机前飞时,随着旋翼桨盘的增高,两侧机翼升力差峰值减小,且峰值落在更小速度处;随着机翼展弦比的增大,两侧机翼升力差峰值减小,且在峰值后同一速度下,机翼越细长两侧升力差越小。     

共轴刚性旋翼气动干扰特性研究

建立了一个基于Navier-Stokes方程的共轴刚性旋翼气动特性分析方法。在该方法中,采用低数值耗散的ROE格式进行空间离散,高效的隐式LU-SGS格式进行时间推进;使用运动嵌套网格方法以计入双旋翼的反转运动;针对旋翼CFD方法配平耗时的问题,提出了一种基于差量修正的高效共轴旋翼配平策略。应用建立的方法,首先进行了2个共轴试验模型的计算,通过对比诱导速度分布和气动性能验证了方法的有效性。在此基础上,深入开展了共轴刚性旋翼悬停状态气动干扰效应和载荷特性的研究。结果表明:在扭矩平衡状态下,受气动干扰影响,上、下旋翼的总距和拉力存在差异,但差动总距以及拉力分配比几乎不随拉力系数变化;双旋翼气动干扰来自三个方面:"厚度效应"引起的瞬时脉冲干扰、"载荷效应"引起的持续扰动以及由上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起的垂直桨-涡干扰;干扰引起的非定常气动载荷具有周期特性,以N/rev(N为共轴刚性旋翼桨叶总数)为基准频率。     

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。      

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。     

直升机桨毂减阻设计进展

针对直升机桨毂部分,系统介绍了气动减阻设计的进展情况,包括常规主旋翼、共轴式双旋翼和无人直升机旋翼桨毂的减阻设计方案。常规单旋翼直升机上主要采用整流帽进行桨毂减阻,共轴式双旋翼桨毂分别采用钝椭圆柱和翼型截面柱体整流罩对上、下桨毂和旋翼轴进行减阻,无人直升机的桨毂减阻设计方案与有人直升机类似。在风洞试验和数值计算研究中,通常会对影响减阻效果的整流罩设计参数和组合方式进行研究。目前,直升机桨毂减阻设计与应用还面临很多困难,需要综合考虑设计制造、部件干涉以及整流罩位置控制等问题。     

共轴高速直升机飞行力学建模与验证

针对共轴双旋翼带尾推力桨构型的高速直升机的多旋翼气动干扰问题,发展了一种不同转速多旋翼的时间步进自由尾迹模型。将多旋翼复杂气动干扰的诱导速度分析结果整理成表,为飞行力学计算中的旋翼非均匀入流模型提供修正数据,从而降低计算量、提高分析精度。对共轴高速直升机的刚性桨叶进行挥舞模态一阶等效,建立了兼顾精度和计算效率的共轴高速直升机飞行动力学模型,并将旋翼试验结果与XH-59A的试飞数据进行了对比验证。结果表明:所建模型对旋翼气动力计算误差小于10%;而在飞行力学分析中,相比于自由尾迹方法大幅降低了计算量,且总距、横向周期变距和总距差动等通道计算误差均小于1°。     

共轴式直升机桨毂阻力特性计算研究

共轴式直升机桨毂迎风面积大,表面结构复杂,产生的气动阻力占全机废阻的50%以上。采用求解N-S方程的方法对某型共轴式直升机桨毂的阻力特性进行了计算,分别研究了飞行速度、上下桨毂方位角和计算模型尺寸的变化对桨毂阻力特性的影响。通过分析计算结果发现上下支臂的气动阻力比较大,直升机飞行速度、上下桨毂方位角和计算模型尺寸变化对桨毂阻力的影响比较小。研究结果可为直升机桨毂减阻设计、阻力特性风洞试验和数值计算等提供一定的参考。     

基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。