基于双X驱动机构的智能旋翼模型试验

直升机的减振降噪是直升机发展史中一直面临的一个重要课题。本文主要开展了基于推挽式双X型驱动机构的主动后缘小翼型智能旋翼模型的初步设计分析与试验研究。对智能桨叶及驱动机构进行了设计分析和加工,对驱动机构进行了优化,进行了不旋转状态下的试验,验证了该方案的可行性。     

直升机模型桨叶颤振试验研究

提出了直升机模型桨叶颤振试验技术及试验方法。通过激桨叶的扭转频率、测桨叶的挥舞响应,试验得到了桨叶颤振裕度与旋翼转速、桨叶弦向有效重心位置及桨叶扭转刚度之间的关系,即桨叶颤振裕度随旋翼转速的提高而降低;在相同转速下,桨叶扭转刚度越低或桨叶弦向有效重心位置越后。      

自适应旋翼性能研究进展

自适应旋翼不同于常规被动旋翼设计,通过主动改变旋翼参数,优化旋翼升阻比,以适应飞行环境和飞行状态的变化,从而降低旋翼需用功率、提升直升机飞行性能。本文归纳了自适应旋翼在提升旋翼性能方面的国内外研究进展,主要包括：变转速旋翼、变直径旋翼、独立桨距控制旋翼、智能扭转旋翼以及桨叶翼型变体等,并对自适应旋翼提升旋翼性能方面的研究进展进行了总结和展望。     

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%.      

主动扭转智能旋翼频域研究及仿真

以直升机主动扭转智能旋翼的数学模型作为控制对象,以主动桨尖偏转引起的桨毂五力素的4阶谐波分量作为输出项,以主动桨尖偏转角作为输入项,建立了多输入多输出控制系统;在此基础上,对主动扭转智能旋翼数学模型进行仿真控制试验,研究不同频率组合的控制信号对桨毂五力素4 Ω谐波分量的抑制影响.     

基于主动扭转控制的旋翼减振规律研究

旋翼主动扭转控制(ATR)能够改善旋翼气动环境,降低桨毂振动载荷。本文以SA349/2直升机为例,采用工程上应用较为广泛的Adams和Nastran软件,建立旋翼弹性桨叶气弹耦合模型。通过模型算例计算得到的桨毂时域和频域载荷,与文献资料数据对比,证实了本文模型的有效性。在旋翼周期变距基础上通过主动扭转控制施加二阶、三阶高阶谐波变距,研究主动扭转控制减振作用的规律。     

压电驱动机构在直升机ACF智能旋翼上的应用

直升机的主动控制襟翼（ACF）型智能旋翼技术通过驱动机构带动旋翼后缘襟翼局部高频偏转，产生反相高阶气动载荷来抵消或降低旋翼高阶振动载荷，达到降低旋翼振动的目的,是直升机旋翼动力学领域发展的最新趋势之一。本文围绕使用压电材料驱动的后缘襟翼驱动机构，系统梳理了国内外各类驱动机构构型的发展历程和验证现状，对几种典型构型驱动机构的力学输出特性进行了对比分析，阐述了国内外技术差距并指出国内当前研究面临的几个主要问题，为后续国内压电驱动机构的选型、可靠性设计以及性能优化等提供参考。     

智能旋翼--直升机减振降噪的治本技术

基于在桨叶上附加或埋入智能材料的电致驱动作用，并按照一定的控制规律驱动桨叶的控制面（控制面可以是后缘或前缘附翼，翼尖气动附翼或桨叶叶尖部分），从而实现降低振动和噪声控制的智能旋翼技术，是一种从振源着手降低直升机噪声和减少其振动的治本方法。与传统的抑制颤振和振动方法相比，这种直接实现由电能向高频线性运动的转换，能为旋翼自适应结构的控制、振动抑制、颤振防止等提供激动人心的新技术     

旋翼桨涡干扰噪声开环桨距主动控制研究

直升机在斜下降飞行时旋翼产生的桨涡干扰(BVI)噪声十分严重,桨距主动控制是降低旋翼BVI噪声的有效手段之一。为摸索其对旋翼BVI噪声的影响规律并阐释其机理,开展了开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。建立能够计入开环桨距主动控制的旋翼自由尾迹模型,并结合翼型气动力模型及基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的旋翼载荷噪声计算模型,建立旋翼BVI噪声开环主动控制模型。以40%缩比的4桨叶BO-105直升机模型旋翼为算例,在风洞配平状态下开展开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。通过分析算例旋翼在不同相位、幅值的桨距主动控制下的BVI噪声声压级、桨盘气动载荷及桨盘迎角分布,总结出开环桨距主动控制影响旋翼BVI噪声的规律,并初步阐释了其机理:适当的桨距主动控制可改善桨盘迎角分布,降低桨涡干扰位置附近的桨叶气动载荷,从而降低BVI噪声。     

旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响

为研究旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,建立了基于自由尾迹法和2阶升力线法的共轴双旋翼气动模型,分别计算和分析了共轴双旋翼的旋翼翼型、上下旋翼半径之比、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比等参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,最后基于分析结果综合优化了悬停状态下各旋翼的几何参数.结果表明:旋翼翼型、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比对共轴双旋翼悬停性能有一定的影响,上下旋翼间距对其影响较小,综合优化旋翼在拉力系数为0.01时与基准旋翼相比,扭矩系数降低10.5%,悬停效率提高9.5%.     

Adaptive Blade Twist – calculations and experimental results

Applying adaptronics to helicopters has a high potential to significantly suppress noise, reduce vibration, and increase the overall aerodynamic efficiency. This paper presents recent investigations on a very promising specific concept described as Adaptive Blade Twist (ABT). This concept allows us to directly control the twist of the helicopter blades by smart adaptive elements. This influences positively the main rotor area which is the primary source for helicopter noise and vibration. Since the interaction of non-stationary helicopter aerodynamics and elastomechanical structural characteristics of the helicopter blades causes flight envelope limitations, vibration and noise, a good comprehension of the aerodynamics is essential for the development of structural solutions to effectively influence the local airflow conditions and finally develop the structural concept. With respect to these considerations, the ABT concept will be presented.This concept is based on the actively controlled tension-torsion-coupling of the structure. For this, an actuator is integrated within a helicopter blade that is made of an anisotropic material based on fiber composites. Driving the actuator results in a local twist of the blade tip in such a way that the blade can be considered as a torsional actuator. Influencing the blade twist distribution finally results in a higher aerodynamic efficiency.The paper starts at giving a review on conventional concepts and potential adaptive solutions for shape control. After, some calculations of the adaptive twist control concept are presented. These are based on a representative model in which the active part of the rotor blade is simplified with a thin-walled rectangular beam, that is structurally equivalent to a model rotor blade of the Bo105 with a scaling factor 2.54. The calculations are performed using an expanded Wlassow theory. The results are valid for static and dynamic conditions. For the dynamic condition excessive deformations near the blade resonance frequency shall be utilised. Therefore, the actuated blade section has to be properly designed for this precondition. This has been demonstrated and verified in experiments, which will not be discussed in this paper.For experimental investigations on the ABT concept the skin of the outer part of the model rotor blade was manufactured of fibre composite material using the above mentioned tension-torsion-coupling effect with an additional uncoupling layer between skin and spar. The experimental results have shown that near to the resonance frequency dynamic forces of 550±550 N are required for a deformation of ± 3 degrees at the blade tip.     

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。      

Experimental research of active vibration and noise control of electrically controlled rotor

Electrically Controlled Rotor (ECR), also called as swashplateless rotor, applies blade pitch inputs via trailing-edge flaps system instead of traditional swashplate mechanism. In addition to primary control, rotor vibration reduction and noise alleviation are also achievable via applying higher harmonic control inputs with the trailing-edge flaps. In this paper, the feasibility of ECR to reduce vibration and noise actively is verified experimentally. Firstly, the test scheme of ECR active vibration and noise control is proposed, and the ECR test platform is modified according to the test scheme. Then, an adaptive control algorithm based on Kalman filter is developed. Lastly, hover and wind tunnel tests is performed to verify the feasibility of ECR active vibration and noise control. The results demonstrate that the ECR are effective for reducing rotor vibration and noise simultaneously. In the hover condition, the ECR can reduce the in-plane hub vibration by 42% and the in-plane noise by 4 dB. In wind tunnel condition, ECR can reduce the hub vibration by 75% and the BVI noise by 3 dB.     

悬停状态倾转旋翼噪声试验及数值计算

结合消声室试验和数值计算研究了悬停状态倾转旋翼气动噪声特性。消声室试验采用孤立倾转旋翼模型,测试了不同总距角和桨尖马赫数状态的气动噪声数据。数值计算基于CFD(computational fluid dynamic)结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学方程的方法,采用试验数据验证了计算模型的可靠性。分析了倾转旋翼的噪声传播特点以及拉力系数和桨尖马赫数对噪声总声压级的影响,并对比了孤立旋翼和双旋翼状态的气动噪声特性。结果表明:倾转旋翼噪声随着拉力系数和桨尖马赫数的增加均有所增加,维持旋翼拉力不变时降低桨尖马赫数虽然使得拉力系数增加,旋翼噪声水平仍然降低;倾转双旋翼噪声相对纵向平面对称分布,在多个方位角区域存在着局部最大值,这和双旋翼噪声传播时的相互叠加以及双旋翼间气动干扰相关。      

主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函数,并设计出机构运动控制系统;在低速风洞中对此飞行器进行了一系列测力试验,研究了主动变形扑翼的升力、推力特性,以及风速、扑动频率、扑动幅度、伸展相位等参数对升力和推力的影响,并与常规扑翼进行了对比分析。试验结果表明,较之常规扑翼,主动变形扑翼可以显著增加升力和增强对不同飞行状态的适应能力。     

倾转旋翼机旋翼对机翼气动干扰的建模及分析

建立了一个耦合旋翼自由尾迹模型和机翼面元模型的悬停状态旋翼/机翼气动干扰迭代计算方法,用于分析旋翼对机翼的气动干扰影响.在该方法中,为较好地模拟大桨盘载荷及大扭转桨叶的气动特征,旋翼桨叶采用Weissinger-L升力面模型;为考虑厚度效应及机翼的升力影响,建立了包含源面元和偶极子面元的厚度机翼模型;为正确模拟旋翼桨尖涡与机翼表面间的贴近干扰,采用了一个"分析数值匹配法"的"贴近涡/面干扰模型".应用上述方法,对单独倾转旋翼下洗流分布以及旋翼对机翼的气动干扰影响进行了计算.结果表明,在旋翼下洗流场的干扰下,机翼各剖面都产生向下载荷,但并非简单地随拉力系数的增大而增大;机翼受到的旋翼干扰影响与旋翼下洗流沿桨叶展向变化密切相关.     

两种桨尖形状旋翼模型试验特性对比

本文介绍了一副研制型旋翼模型在CARDC 8m×6m低速风沿的试验概况,给出了两种桨尖形状旋翼模型试验的悬停效率、前飞需用功率、变距拉杆载荷、桨叶载荷及振动特性的对比结果。并对结果进行分析,得出不同桨尖形状对旋翼一些特性的贡献。     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动。为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明：可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度。     

智能旋翼的频域神经控制

 频域内的神经控制方法在振动主动控制中因其允许复杂的控制算法,适合于智能旋翼的控制。在建立频域智能旋翼系统模型的基础上,提出了频域内的智能旋翼神经控制方法。采用正交设计方法选取训练样本,建立频域神经模拟器,然后按照提出的算法进行控制。仿真结果表明提出的算法有效,并且具有较好的鲁棒性。