C.A.RDC的直升机气动力试验研究新进展

中国空气动力研究与发展中心(CARDC)自1990年建成12 m×16 m/8 m×6 m低速风洞直升机旋翼模型试验台以来,在8 m×6 m风洞进行了多种直升机旋翼模型试验;2001年,首次在12 m×16 m试验段进行了旋翼及旋翼/机身组合模型试验,为新型直升机的研制做出了贡献.2003年以来,通过开展某工程配套技术改造项目,建成了2 m旋翼模型试验台、尾桨及旋翼/机身组合模型试验台;配套研制了高性能的数据采集和监视报警系统;配备了频闪仪、动态信号记录仪等专用设备,大大提高了CARDC的直升机气动力试验能力."十五"期间,还开展了直升机试验技术和试验数据精准度研究、直升机试验数据相关性研究,掌握了先进的旋翼前飞配平试验技术、悬停地面效应试验技术,初步建立了旋翼模型风洞试验数据的洞壁干扰修正方法、悬停试验数据的Re数影响修正方法,进一步提高了CARDC的直升机风洞试验技术水平.目前,CARDC具备了系统研究直升机模型气动力的试验能力,可以为新型直升机的研究和发展提供技术支持.     

Φ2米旋翼模型试验台悬停和前飞试验

为满足直升机选型试验及旋翼气动特性机理性研究的需要,中国气动研究与发展中心低速所研制了Φ2m旋翼模型试验台.试验台研制经历方案论证、分系统设计加工与研制、分系统安装调试、试验台总装及动力/传动系统联调等阶段,完成了地面调试和悬停试验,并在Φ3.2 m风洞完成了配平前飞试验,已形成2m直径量级旋翼模型桨尖马赫数相似的悬停试验和前飞试验能力,提高了直升机风洞试验和研究能力.     

旋翼/机身组合模型试验台技术改进及验证

中国空气动力研究与发展中心研制的旋翼/机身组合模型试验台,具有阻塞度小、功率大、支架干扰小等优点。近年来,试验台通过配套研制标模系统、改进测量系统及旋翼操纵系统标定方法等工作,使试验台的水平和能力得到了进一步的提升。验证试验表明：该试验台技术先进、性能指标优良,安全稳定性好,试验数据精准度高,可作为直升机型号研制和课题研究可靠的试验平台。     

Ф2米直升机试验台旋翼天平研制与应用

为实现小尺寸直升机旋翼模型在风洞内进行测力试验研究,并得到可靠的数据,研制了用于Ф2米直升机旋翼模型试验台进行测力试验的旋翼天平,本文详细介绍了该天平结构特点与研制计算,并给出了静校结果和几次悬停、前飞试验的测量结果。     

φ4米旋翼/机身组合模型试验台及应用

本文介绍了中国空气动力研究与发展中心低速所新研制的Φ4米旋翼/机身组合模型试验台的结构和功能,以及达到的技术指标。应用该试验台,完成某直升机旋翼模型地面悬停试验和8米×6米风洞试验,试验结果表明,得到的数据准确可信。     

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。      

直升机的革命在于旋翼技术革新——集成旋翼集拉力、动力、操纵于一体

直升机既可空中悬停、垂直升降，又能够向任何一个方向飞行。这种特有的飞行能力使其在航空器大家族中独树一帜，而旋翼系统是直升机具备上述能力的核心所在，也是直升机技术革命的关键。     

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。     

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。     

直升机主桨毂疲劳试验技术研究

直升机旋翼系统主桨毂是直升机关键部件，在地面运转及首飞前必须进行疲劳试验，根据试验结果确定初步疲劳寿命。本文以某型号直升机旋翼系统主桨毂疲劳试验为例，总结出多点协调加载试验台的设计方法及试验调试方法，并按照试验台的组成，从控制系统、泵站、伺服动作器、测量系统及试验台体等方面，详细阐述了设计内容及其工程效果。     

基于配平的共轴刚性双旋翼直升机飞行性能计算与分析

以共轴刚性双旋翼直升机为研究对象,对其飞行性能展开研究。首先,建立了考虑双旋翼间干扰、旋翼以及机身对尾推的干扰、旋翼对机身及尾翼干扰的直升机飞行力学模型。其次,建立了共轴刚性双旋翼直升机需用功率计算模型,以X2直升机为算例,计算了其配平状态下的需用功率,并用文献中的试验数据对需用功率计算结果进行了验证。然后,建立了发动机功率与耗油率模型以及直升机飞行性能计算模型。最后,计算并对比了X2直升机带推力螺旋桨模式和纯直升机模式下的飞行性能。研究结果表明,带推力螺旋桨模式的直升机飞行性能优于纯直升机模式的飞行性能。     

基于黏性涡粒子尾迹模型的高速直升机配平特性分析

刚性旋翼高速直升机旋翼间复杂的尾迹干扰作用会影响其配平特性。针对这一问题，本文采用黏性涡粒子方法来精确计算上下旋翼复杂尾迹流场下的诱导速度，桨叶环量则采用涡面元法进行求解，两种方法耦合建立了尾迹模型。基于此尾迹模型进行高速直升机飞行动力学建模，包括结合刚性旋翼挥舞运动模型和变距操纵模型的旋翼尾迹气动力建模、机身以及平/垂尾气动力建模。同时与风洞试验结果对比，先验证了旋翼气动力模型的准确性，在此基础上，以XH-59A直升机为研究对象，计算得到了0～80m/s速度下的配平特性结果，与飞行试验数据对比良好，验证了飞行动力学模型的有效性。最后分析了悬停及低速前飞时旋翼间尾迹流场干扰对全机配平特性的影响。     

前飞状态直升机总距操纵响应特性计算

本文对直升机运动方程中关键的旋翼气动力预测采用非定常分析计算模型,建立了时间推进自由尾迹方法。通过计算的孤立旋翼的总距操纵突变时的气动力响应与试验值的对比,验证了自由尾迹方法用于瞬时气动响应计算的有效性,然后利用嵌入自由尾迹模型的直升机运动方程分析了在前飞条件下,对旋翼进行总距阶跃突增及余弦突增操纵时,直升机载荷因子和平飞速度的时间响应历程。     

直升机旋翼动力学国防科技重点实验室(中国直升机设计研究所部分)

直升机旋翼动力学国防科技重点实验室(中国直升机设计研究所部分)是由“七五”期间建成的旋翼机身组合模型实验台,“八五”期间建成的实验大厅、测试大楼和新添置的测试设备,2吨级旋翼试验台及尾桨试验台组成。实验室的主要研究方向是旋翼涡系研究、旋翼流场及干扰流场研究、高性能新型旋翼研究、旋翼非定常空气动力学研究、旋翼气弹耦合动力学特性研究等。该实验室目前共有研究员8人,高级工程师1人,工程师5人,人员年龄结构合理,专业分工明确,技术力量雄厚。直升机旋翼机身组合模型实验台是实验室的主体,在该实验台上已圆满地完成了大量的直…     

新概念直升机——未来可能的直升机技术

作为一种世界上应用最为广泛的可垂直起降的飞行器,现代直升机已经走过了近80年的历史.直升机的原理大家并不陌生,自从自动倾斜器、铰接旋翼和周期变距等装备和技术被一一发明以来,直升机的基本原理就没有发生过大的变化:用旋翼的变距来控制升力大小、用旋翼桨盘的倾斜来控制飞行方向、用尾桨或双旋翼来抵消旋翼的扭矩等等.这套机构已经非...     

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°。     

旋翼结冰对“黑鹰”直升机飞行性能影响分析

基于西科斯基公司翼型冰风洞结冰试验推导的公式,建立了"黑鹰"直升机旋翼翼型结冰模型,计算了结冰后翼型气动特性变化;在此基础上建立了直升机悬停和前飞计算模型,结合旋翼翼型结冰情况,分析了旋翼结冰后飞行性能的变化和影响。计算证明建立的结冰模型正确,可以用于预测直升机结冰后的飞行性能。     

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。     

直升机滑跑地面共振特性研究

依据直升机定常滑跑平衡特性分析得到的起落架定常载荷、旋翼操纵量及定常挥舞,结合起落架轮胎和缓冲支柱的静、动特性试验数据,应用自由振动理论计算得到机体侧向和纵向模态特性随滑跑速度的变化规律;采用计入几何耦合的旋翼液压阻尼器动力学模型,计算了定常滑跑时旋翼周期摆振响应,并得到液压阻尼器在"双频"条件下的等效阻尼;应用平面动力学模型分析不同因素对直升机滑跑地面共振的影响。结果表明,滑跑速度会降低机体侧向模态的固有频率;某型直升机旋翼总距为2°时,在22.8~31 km/h范围内定常滑跑时,直升机遇到较大扰动时将发生地面共振,且旋翼总距增加会降低地面共振的滑跑临界速度;直升机定常滑跑时保持小总距,小扰动,则不会发生地面共振。     

共轴式直升机的气动特性、操稳特性与机动性分析

从气动布局与气动特性入手,对比了共轴式直升机与单旋翼直升机的悬停、垂直飞行及前飞性能,分析了共轴式直升机的气动布局与操稳特性对其机动能力的影响,最后介绍了共轴式直升机两种特殊机动动作.