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。     

小型复合式高速直升机总体初步设计

复合式高速直升机是直升机的热点发展方向之一，为此开展了一款小型(100 kg级)复合式高速直升机的设计研究。首先，提出了设计要求并给出合适的总体参数。然后，进行了气动布局设计并绘制三维模型，对该构型存在的旋翼/机翼/螺旋桨气动力部件干扰使用动量源方法进行了初步分析，得到了气动干扰特性及机身气动部件随不同速度前飞时的升阻力特性。最后，基于常规直升机的飞行性能计算方法，提出了复合式高速直升机飞行假设及该构型飞行性能的计算方法，并对飞行性能进行了分析计算，完成了100 kg级复合式高速直升机总体方案设计。研究成果可为今后该构型飞行器的设计研究提供一定的借鉴。     

复合式直升机技术特点及发展概述

复合式直升机既可垂直起降、悬停和低速飞行,又具有高速、远航程和长航时的性能特点,无论是在军事还是在民用领域都具有非常重要的实用价值。对比常规直升机,总结了复合式直升机的性能优势,介绍了现今已发展的复合式直升机型号。针对复合式直升机的总体构型、气动干扰、操纵策略及操稳特性进行了较细致的总结。对复合式旋翼桨叶结构的选择、辅助推力/升力系统的抉择、复合式布局的技术特点进行了总结和分析。     

高速直升机前行桨叶概念旋翼技术

高速直升机通过构型的革新,可以在保留直升机使用特点的基础上提高飞行速度,是直升机未来的重要发展方向之一。本文对国外相继出现的各种构型的高速旋翼飞行器进行了简要回顾,介绍了采用前行桨叶概念旋翼构型的高速直升机,对前行桨叶概念旋翼的气动、动力学和操纵特性做了分析研究,并梳理了相关的在研关键技术。     

复合式共轴直升机飞行动力学数学模型研究

建立了复合式共轴直升机的飞行动力学数学模型。根据复合式共轴直升机的构型特点,计入上下旋翼,旋翼与机翼之间的相互气动干扰,建立了旋翼、机翼等部件的气动计算模型。以某小型复合式共轴直升机为例,运用牛顿迭代法完成了3种飞行模式下的配平计算,得到了从悬停到高速前飞各种飞行状态下的操纵量和状态量,分析了复合式共轴直升机飞行的物理...     

高速直升机方案研究

对目前三种主流高速直升机——复合式、倾转旋翼／机翼式和转换式进行了综合分析；根据发展态势，比较了它们的构型、性能及关键技术等方面的优缺点，并对可行性进行了讨论。在此基础上．提出了一种旋翼／机翼转换式高速直升机方案，并对此方案进行了旋翼系统的原理性试验，对关键技术——模式转换过程进行了理论计算和试验研究。验证了直升机模式和飞机模式在相互转化过程中升力、功率和操纵的平滑连续性及保持操稳性；最后，根据研究结果，经过计算得出了此方案的总体参数。     

新构型高速旋翼飞行器的现状和发展趋势

高速化、远程化是当前旋翼飞行器的重要发展方向,常规构型直升机已难于满足用户越来越高的使用需求,发展新构型已经成为重要的解决途径与突破方向。梳理了国外新构型高速旋翼飞行器的发展历程,按复合式、倾转式和停转式的分类对新构型进行了归纳整理,重点阐述了近期发展势头迅猛的几种构型的主要特点与发展情况。在此基础上,对高速构型旋翼飞行器的现状进行了总结,并对其未来的发展趋势进行了预测分析。     

旋翼固定翼复合式垂直起降飞行器概念设计研究

近些年来垂直起降(VTOL)飞行器发展迅速,并获得了一些突破性进展,但仍有许多尚未解决的问题。结合旋翼机和固定翼飞机的优点,提出一种旋翼固定翼复合式飞行器布局方案,兼具优异的垂直起降性能及高速飞行能力,具有转换过渡稳定平滑、可控性强的特点。在该旋翼固定翼复合式布局中,特型旋翼可旋转以提供垂直升力,也可停转、锁定与固定式机翼保持平行,最终转换为固定翼面使得飞机转换为固定翼布局,并在机翼上布置矢量推力装置,实现高速飞行。概念设计研究围绕设计方法、特型旋翼、矢量推力系统等关键技术展开,并开展了平飞模式飞行特性、垂直起降模式飞行特性、航程、航时以及飞行操纵等性能的分析。通过试制小型原理验证机,并对各飞行状态及转换过渡飞行进行飞行试验,验证了该布局的可行性。结合实际算例展开分析计算,验证了该方案设计方法的准确性和实用性。     

基于遗传算法的常规复合式高速直升机飞行性能参数优化

单旋翼带尾桨式的传统直升机受旋翼气动特性的不利影响，其最大飞行速度等性能受到制约，因此高速直升机成为国内外研究的热点。为研究基于遗传算法的参数优化对常规旋翼构型复合式高速直升机飞行性能的影响，本文采用动量叶素理论和Young曲线拟合相结合的方法建立了悬停和低速下负拉力状态螺旋桨气动模型，构建了基于遗传算法的飞行性能优化模型。以X3高速直升机为样例，对悬停、低速（200km/h）和高速（400km/h）分别进行优化，分析了直升机功率、操纵量和姿态角变化。结果表明，基于遗传算法的参数优化方法能提升特定速度下复合式直升机的飞行性能。悬停、200km/h和400km/h优化后的直升机总功率均降低，比基准值分别低16.3%、10.9%和19.6%。高速时最优直升机总功率主要依赖优化旋翼部件，通过显著降低旋翼总功率来实现。悬停状态的优化参数趋势和操纵量变化与400km/h优化后的相反，而200km/h优化后的旋翼参数变化趋势与悬停状态一致，螺旋桨参数变化趋势则相反。本文为未来高速直升机总体参数选择、飞行性能优化等提供一定的帮助。     

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。     

直升机旋翼试验塔研制与应用

本文介绍了我国第一座直升机旋翼试验塔的研制概况,主要包括旋翼试验塔在直升机行业中的地位、对旋翼研制的作用、试验塔的总体方案、各主要系统组成与特点、关键参数的确定、解决的关键技术等。由于该试验塔在总体和各系统设计方案的合理优化配置,使得它成为世界上试验能力领先的旋翼研制关键设备,使我国的旋翼研发能力提升到一个新的水平。     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.     

旋翼变体技术对直升机性能的提升

为研究旋翼变体技术对直升机性能的提升作用,先建立旋翼模型,然后耦合机体模型,从而建立直升机需用功率计算模型.主要对比了几种不同旋翼变体技术,包括旋翼变直径、旋翼变转速、桨叶变弦长和桨叶变负扭转角在不同飞行状态时对直升机需用功率的影响.前飞速度为130km/h时,10%旋翼转速减小、10%旋翼直径减小、10%桨叶弦长减小和桨叶负扭转角由-12°变为-6°时,需用功率分别降低了15.7%,14.6%,5.8%和3.1%;前飞速度为250km/h时,10%旋翼转速减小和10%旋翼直径减小可分别降低14.5%和23.9%需用功率.结果表明,旋翼变转速明显优于桨叶变弦长和桨叶变负扭转角所取得的性能提升,高速前飞时旋翼变直径降低的需用功率大于旋翼变转速技术.      

直升机/发动机系统变旋翼转速串行优化方案

提出了一种用于直升机/涡轴发动机综合控制的变旋翼转速串行优化方案.首先基于Levenberg-Marquarat(L-M)算法/一维最优搜索算法,在保证直升机飞行状态不变的情况下,寻优得到旋翼所需最小功率,再通过优化发动机操纵量,在保证发动机约束成立的条件下得到当前发动机运行最优工作点,即达到直升机巡航时油耗最小或者涡轮前温度最低.最后,在UH-60直升机/涡轴发动机综合控制仿真平台上进行了最小油耗控制模式的仿真,数字仿真结果表明了该串行优化方案的可行性.      

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。     

高速直升机方案中旋翼自转状态的实验研究

近年来对高速直升机的研究日益兴盛起来,而高速直升机设计的利用自转状态在相同临界迎角下可以承担更多升力的特点,提出将自转引入升力转移的过程中,从而达到减小机翼面积、降低机体重量、减小阻力的目的.针对某一高速直升机方案的自转状态,本文设计和建设了试验模型和试验设备,进行了相应的实验研究.通过与直升机正常工作状态下旋翼的实验结果对比,得出了自转旋翼具有更高的效率的结论;并且根据实验结果分析了自转旋翼的稳定转速与前飞速度以及桨盘迎角的关系.通过与前期理论研究的计算结果相比较,对已有的气动模型进行了检验,理论与实验结果得到了相互印证.     

直升机旋翼结冰影响及防/除冰方法综述

为深入认识旋翼结冰的影响，从结冰强度和桨尖冰脱落两个方面阐述了旋翼结冰的特征及其主要响应因素，进而归纳了结冰对直升机升阻力特性、悬停特性、操纵特性等气动影响，并提出了评估旋翼冰脱落对直升机物理损伤的主要思路和方法。介绍了旋翼防/除冰应用中的电热防/除冰、液体防冰和气动除冰等主要技术，系统分析了它们的优缺点：电热防/除冰除冰效率高，但能耗较大；液体防冰能耗低，但作用时间短，且防冰效率不高；气动除冰系统虽然能耗低，但其安装部位有限，并且易造成直升机气动损失。在此基础上，还针对当前直升机防除冰系统存在的缺点，从旋翼结冰的高精度预测、多种防/除冰系统的耦合开发、大面积超疏水材料制备工艺提升等多个方面，全面展望防/除冰未来发展中亟需解决的重要问题。     

变转速旋翼直升机单发失效低速回避区分析

利用最优控制方法研究变转速旋翼直升机在遭遇单发失效时,旋翼转速对自转着陆低速回避区的影响。首先,以UH-60A直升机为样机,建立三维刚体飞行动力学模型,并分析低速范围内旋翼转速对直升机需用功率的影响。然后,在模型中加入单发失效后自转着陆阶段发动机输出功率以及旋翼转速变化方程,并利用直接多重打靶法将直升机单发失效后的自转着陆过程转换为非线性最优控制问题进行数值求解。最后,基于最小化回避区面积的思想,得到并分析直升机在不同旋翼转速下单发失效后的自转着陆低速回避区,以及回避区高悬停点、拐点和低悬停点对应的最优着陆轨迹和操纵过程。结果表明：随着旋翼转速的降低,直升机单发失效后的低速回避区首先会逐渐缩小,然后迅速增大。最小回避区对应的旋翼转速略高于最小需用功率对应的旋翼转速。适当降低旋翼转速不仅能有效降低直升机的需用功率,还有利于提高直升机单发失效后的自转着陆性能。     

入流特性对直升机飞行数值仿真的影响

针对常规单旋翼带尾桨直升机，讨论不同特性的入流模型在直升机数值仿真中的作用。以Ｐｉｔｔ／Ｐｅｔｅｒｓ的动力入流模型为基础，重点分析均匀与非均匀静态入流和动力入流模型对直升机配平以及驾驶员操纵输入动态响应数值精度的影响程度，可为不同目的飞行数值仿真中入流模型的选取提供参考。     

直升机旋翼功率传递系数确定方法

阐明了在现有的直升机性能计算中,旋翼功率传递系数总是假定为常数,这种处理方法具有很大的局限性。文章详细地介绍了从飞行力学的角度来确定直升机平直飞行时的旋翼功率传递系数。首先,通过飞行力学中的配平计算得到直升机在不同飞行速度下的旋翼和尾桨的需用功率;然后,用试飞实测方法确定除旋翼和尾桨外的功率损耗;最终,得到直升机在不同飞行速度下的旋翼功率传递系数。认为:由于旋翼、尾桨的需用功率由飞行力学的配平方法得到,其结果能合理地反映飞行状态和直升机尾部构型等因素对它们的影响,加上除旋翼和尾桨外的功率由试飞实测得到,因而文中所述的直升机旋翼功率传递系数能更准确地反映直升机的功率传递关系。