直升机涡环状态边界与飞行安全

介绍了直升机涡环状态的成因及国外对于涡环状态边界研究的现状,并对我国在直升机涡环状态边界研究方面的工作进展进行了重点介绍.     

直升机涡环状态速度边界的实验研究

首先对模型试验直升机和实飞直升机下滑角进行了对比,明确了桨盘倾角是使理想涡环曲线存在误差的主要原因,分析了斜下滑时直升机各姿态角随前飞速度增大的变化趋势,结合平衡方程和高-辛涡环判据,提出了计入桨盘倾角的实飞涡环状态边界计算方法,最后通过算例对计算方法进行了验证和分析。结果表明,基于桨盘倾角修正的涡环边界与试飞数据基本吻合,桨盘倾角对旋翼涡环临界值影响较大,且影响程度因机型而异。     

桨叶负扭度对直升机涡环状态影响分析

利用部分旋翼涡环状态试验数据,采用神经网络误差反向传播算法（BP 算法）,研究了桨叶负扭度对直升机涡环状态特性的影响问题,分析了负扭度变化对旋翼扭矩,拉力平均值及脉动幅度的影响,模拟结果表明,使用该模型可准确预测桨叶负扭度对直升机涡环状态的影响,从而减少试验次数,节约试验费用。     

直升机涡环状态试验数据处理研究

采用神经网络误差反向传播算法,以旋翼涡环状态试验数据为基础,研究了桨叶负扭度对直升机涡环状态特性的影响,分析了负扭度变化对旋翼扭矩、拉力平均值及脉动幅度的影响。计算结果表明,神经网络模型能够准确预测桨叶负扭度对直升机涡环状态的影响。     

旋翼涡环状态非定常气动特性研究

旋翼涡环状态机理研究对直升机飞行安全具有重要意义。基于雷诺平均N-S控制方程,采用滑移网格技术和非结构网格建模,使用Spalart-Allmaras湍流模型,对直升机旋翼在不同下降率的垂直飞行中遭遇涡环状态进行了数值模拟研究。首先,验证了旋翼涡环状态的风洞试验数据;然后,在深度涡环状态下对旋翼进行了气动力分析,发现旋翼桨叶之间出现不同步的周期性变化现象;最后,对不同下降率下旋翼的气动力变化进行了对比。研究结果表明,涡环会导致旋翼叶片前段出现明显的拉力损失,而旋翼后段的拉力略微增加;该研究为了解旋翼遭遇涡环状态提供了一种分析思路,并对指导旋翼外形设计具有一定的实际意义。     

垂直下降状态下螺旋桨气动特性及涡环特征

螺旋桨在垂直下降状态下极易进入涡环状态,从而引起复杂的空气动力学特性。采用黏性涡粒子方法（viscous vortex particle method, VVPM）,对APC thin electric 10X7螺旋桨在不同垂直下降率下的气动特性和涡环特征开展研究。结果表明：螺旋桨气动特性容易受到下降率的影响,当下降率增加时,拉力呈现先略增大再减小后增大的趋势,同时尾迹压缩效应逐渐增强,涡环中心逐渐上移。在此过程中,涡环先后经历了悬停状态、涡环前期、涡环初期、深度涡环和类风车流动状态,涡环特征从管状螺旋下洗涡逐渐演变成螺旋涡与环形涡并存,再到完全涡环结构,最后涡系结构移动至桨盘上方。涡场拓扑结构的演变直接影响螺旋桨的气动特性,当桨盘附近尾迹为管状螺旋涡结构时,螺旋桨气动特性变化不明显;随着下降率的增加,逐渐演变出的环形涡会严重影响螺旋桨的气动特性,表现为拉力骤降,尾迹压缩效应增强,回流区包裹桨盘;随着下降率进一步增加,涡系结构到达桨盘上方,螺旋桨进入类风车状态,气动力逐渐增大。     

涡轴发动机/直升机综合控制仿真平台设计

建立了UH-60直升机/T700涡轴发动机综合控制数字仿真平台。基于VC++环境开发了包含UH-60直升机/T700涡轴发动机综合实时模型的上位机程序,与运行机载涡轴发动机+旋翼实时模型及在线优化控制模式的下位机程序。两者基于TCP/IP协议实时通讯,可进行模拟实际直/发综合优化控制的数字仿真实验。在该数字仿真环境下,分别给出了提高直升机常规飞行性能的多种优化控制模式仿真、变旋翼转速优化控制以及快速功率跟随控制模式仿真,充分表明该平台可为新一代直/发综合系统的开发研制提供一个可靠的前期数字仿真验证。     

直升机垂直下降时旋翼涡环飞行试验分析

从飞行试验角度介绍了直升机垂直下降飞行时的旋翼涡环特性,从空气动力学角度探讨了涡环形成的机理,分析了Wolkovitch判据、Peters判据以及高-辛判据等三种涡环判据的优点和不足。以直升机做放距阶跃飞行试验为例,得出了为避免直升机进入涡环的安全措施,并验证了高-辛判据的准确性和工程实用性。     

多旋翼飞行器涡环状态数值模拟

旋翼类飞行器在进入涡环状态时极易发生安全事故。采用基于非结构网格的滑移网格技术对多旋翼飞行器的气动特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。分别模拟了多旋翼飞行器垂直下降状态和30°斜向下下降状态时的流场,得到该状态下多旋翼飞行器的气动特性和滑流区流场规律,并分析了力与功率的变化规律。研究发现:多旋翼飞行器在垂直下降状态和30°斜向下状态均会进入涡环状态,在垂直下降速度为4 m/s时,多旋翼飞行器已经处于涡环状态,旋翼的拉力损失会达到15%,旋翼功率随下降速度的增大先增大后减小,且不同旋翼拉力大小和功率大小不一致。当30°斜下降速度为4~6 m/s时,多旋翼飞行器处于涡环状态。该结论可为多旋翼无人机的安全飞行提供参考。     

直升机的精确建模与仿真控制研究

首先概述了直升机建模与仿真问题的发展.阐明了在精确的模型下进行仿真控制的必要性和可行性.依据直升机空气动力学,尽量不简化各影响因素,建立直升机的数学模型.分析并探讨了对如此高维、非线性、强耦合的系统进行控制,应当采取怎样的策略与方法.针对现有的直升机控制,提出了一些优化设想.仿真结果表明,该控制策略是基本成功的.