CARDC8米×6米风洞直升机旋翼机身组合模型试验台研制

本文简要介绍了气动中心低速所新近研制成功的8米×6米风洞直升机旋翼机身组合模型试验台的概况、主要分系统调试结果、BO-105直升机旋翼动力相似模型地面悬停试验及风洞试验结果。结果表明:试验台及各分系统的性能已达到设计要求;试验台振动水平低;工作可靠;风洞试验数据的重复性好;与西德宇航院飞行力学研究所在 DNW8米×6米风洞中的试验结果有良好的一致性。经地面试验及风洞试验的考核,试验台已具备交付验收和使用的条件。试验台的研制成功,为我国大型低速风洞开展直升机旋翼模型风洞试验奠定了坚实的基础。     

2米量级直升机旋翼天平

通过对２米量级直升机旋翼的试验表明：天平测量原理正确、设计分理、刚度大、干扰小、静校准精度较高，其动态特性与整台直升机旋翼试验装置匹配良好，较好地满足了直升机旋翼试验要求。     

Φ3.2 m风洞共轴刚性旋翼试验台研制

为满足共轴刚性对转旋翼气动特性及流动机理研究的风洞试验需要,在中国空气动力研究与发展中心Φ3.2 m风洞开展了共轴刚性对转旋翼试验台（以下简称共轴旋翼试验台）研制。该试验台可开展Φ2 m量级双旋翼模型的桨尖马赫数相似试验,是研究双旋翼构型高速直升机气动特性的重要试验设备。采用上、下旋翼模型独立支撑、单一电机驱动,实现了同步反向旋转、同步改变旋翼轴倾角、旋翼总距、旋翼周期变距等远程实时控制功能;通过设计计算-测试-调节的迭代,解决了试验台台体的动力学特性匹配问题;合理选择设计参数,解决了传动系统稳定性问题;利用该试验台获得的某旋翼模型风洞试验结果,拉力系数的重复性精度优于0.58%,扭矩系数的重复性精度优于0.11%。     

BO－105旋翼模型第二期8米×6米风洞对比试验

１９９２年７月，在保持桨尖马赫数不变（ＭＴ＝０．６４）的条件下，利用ＢＯ－１０５旋翼动力相似模型（１：２．４５），在气动中心低速所８米×６米风洞进行了第二期悬停和前飞对比试验。本期试验结果与１９９０年的第一期试验结果以及国外的有关结果有较好的一致性。悬停时，旋翼功率～拉力特性、旋翼口质因素、桨叶稳态挥舞力矩、桨毂力矩特性等皆与１９９０年试验结果和国外试验结果吻合较好。等拉力系数配平前飞时，旋翼各操纵角～前进比曲线和前飞需用功率～前进比曲线与德国宇航院（ＤＬＲ）的试验结果比较一致。但桨叶信号与１９９０年的结果尚有一定差别。     

纵列式直升机双旋翼流场及性能试验

通过加装一台套单旋翼试验台,与原有的单旋翼试验台组成了双旋翼试验台.基于测力天平和PIV技术,通过改变前后两旋翼的水平和轴向间距,测量了纵列式双旋翼不同气动布局干扰状态下的流场特性和旋翼性能,并与单旋翼情况进行了比较.分别给出了悬停和前飞状态下的旋翼速度场和涡量场分布,对比了不同纵向和轴向间距对双旋翼性能的影响.结果表明:悬停时,后旋翼性能和单旋翼基本一致;前飞时,后旋翼性能比单旋翼差,且随前进比的增加,后旋翼性能与单旋翼性能的差距会更大.     

Φ5m立式风洞直升机垂直升降试验台研制

中国空气动力研究与发展中心研制的Φ5m立式风洞直升机垂直升降试验台具有旋翼转速、旋翼轴倾角、旋翼总距、旋翼周期变距等远程实时控制功能,可开展直径2~3m量级旋翼模型的桨尖马赫数相似试验.获得的试验数据表明,试验台性能优良,已经形成了旋翼模型垂直升降试验能力,具备了承担直升机垂直升降性能试验及机理研究的能力.     

三维桨尖旋翼桨叶表面压力测量试验

研制了三维桨尖(抛物线后掠下反桨尖)4 m直径模型旋翼,并在旋翼试验台和大型低速风洞中完成了该模型旋翼的气动特性试验.采用了新的桨叶表面压力传感器布埋技术,有效地开展了三维桨尖旋翼桨叶表面非定常压力测量风洞试验.试验结果表明,下反桨尖的压力系数随方位角变化幅值比非下反桨尖的小,桨尖下反可以减弱桨-涡干扰,且随前进比增大,压力系数的峰值也增大.     

惯性坐标系下的旋翼气弹稳定性建模

为了较好地描述直升机铰接式、无铰式及无轴承式旋翼的动力学特性,本文根据Hamilton原理。采用中等变形粱理论,用Chopra的15自由度有限元梁元进行离散,并将挥舞、摆振和变距铰运动作为广义坐标,采用二维准定常气动力模型,直接在惯性坐标系下,建立了旋翼气弹分析的动力学模型,并用Pitt—Peters动态入流模型计入动态入流对稳定性的影响。本文基于惯性坐标系的旋翼气弹建模方法简化了建模,方便地嵌入了动态入流模型。通过与Princeton粱实验数据、ITR旋翼试验数据和直升机分析软件UMARC的计算值的对比,验证了本气弹分析模型的正确性,指出误差来源于气动模型。     

前缘外形对翼型动态失速特性影响分析

为模拟旋翼翼型动态失速特性,以非定常雷诺平均N-S方程为控制方程,采用双时间推进法,建立了旋翼翼型非定常流场模拟的CFD方法。为研究旋翼翼型前缘外形对动态失速特性的影响,在NACA0012翼型的 基础上,采用了不同的前缘变形量,设计了3类(每类2种,修改翼型1～６)不同类型的旋翼翼型,并对比分析了这3类翼型的动态失速特性。通过对比分析发现:翼型上表面变形能够有效地影响翼型的动态失速特性,上表面凸出变形增大,在一定范围内能有效抑制动态失速;翼型下表面变形对动态失速特性的影响较小;改变前缘附近弯度也可以在一定程度上影响翼型的动态失速特性,翼型的弯度增加,在一定范围内也能有效抑制动态失速特性。     

共轴刚性旋翼桨毂阻力特性试验研究

为研究高速直升机共轴刚性旋翼桨毂的阻力特性,采用自研的桨毂模型试验台,在中国空气动力研究与发展中心FL-14风洞开展了风洞试验。试验模型为典型的共轴刚性旋翼桨毂模型,包括上、下桨毂整流罩模型和4种中间轴整流罩模型,分别为基准中间轴和基于翼型的优化外形。主要试验内容包括多种桨毂模型在不同转速、不同风速及不同模型姿态角下的阻力特性试验,以及桨根对桨毂阻力特性的影响试验等。风洞试验结果较好地反映了不同桨毂构型的阻力特性差异,获得了中间轴整流罩外形对桨毂阻力的影响规律;试验结果表明最优桨毂构型相对基准桨毂构型,可减阻37%。     

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV 15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明：建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。     

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.     

无人旋翼机旋翼气动分析与试验研究

为支撑某无人旋翼机方案设计,采用叶素理论和动态入流建立旋翼气动模型,进行旋翼参数分析。评估了旋翼半径和总距对旋翼拉力及轴倾角的影响,得到旋翼拉力和操纵规律。在大尺寸低速风洞开展无人旋翼机的试验研究,对独立机身、机身+旋翼组合体进行吹风,得到了不同风速及迎角下机身和旋翼的升力与阻力,并与计算结果进行对比,从而验证计算方法的有效性。通过旋翼气动计算与试验结果分析,研究了旋翼气动特性与设计参数、飞行状态及轴倾角操纵之间关系。最后提出了旋翼拉力与飞行速度和轴倾角的关系公式。     

旋翼翼型低速动态失速研究

为了提高旋翼翼型动态失速模拟的精度,基于动态混合网格技术和ALE形式的RANS控制方程,构建了一套可用于低速流场中旋翼翼型动态失速分析的计算方法。采用守恒变量形式的低速预处理技术,解决了由于特征值差异过大引起的收敛困难问题;在物面采用层推进泊松方程光顺法生成结构网格,以获得较好贴体性和正交性;采用分离流中应用广泛的k-ωSST湍流模型捕捉深失速下流场的大分离特性。计算结果表明该计算方法可以有效地分析不同马赫数下的旋翼翼型动态失速,收敛精度有不小于两个数量级的提升。针对低速流场不同马赫数下深失速的流场特征的计算分析表明,马赫数对动态失速的迟滞特性具有明显的规律性影响。     

基于自由尾迹方法的电控旋翼气动特性分析

考虑了襟翼偏转对桨叶剖面有效迎角及旋翼尾迹结构的影响,建立了电控旋翼自由尾迹入流模型,并结合电控旋翼带襟翼翼型气动力模型、桨叶挥舞运动模型、旋翼配平模型,建立了一种电控旋翼气动特性分析方法.利用该方法,对某样例电控旋翼悬停和前飞状态的气动特性进行了计算,并将电控旋翼与常规旋翼的气动特性进行了对比分析.结果表明,悬停时,配平所需的电控旋翼襟翼偏角幅值随拉力增加而增加;前飞时,电控旋翼后行桨叶剖面迎角比常规旋翼更大,更可能发生失速.     

共轴高速直升机振动载荷计算分析模型

共轴高速直升机上下旋翼之间存在强烈的气动干扰现象,这对旋翼的气动特性影响较大。本文根据这一特点并考虑气弹耦合计算效率,利用单旋翼自由尾迹模型的尾迹几何和固定尾迹计算的初始诱导速度分布作为共轴双旋翼预定尾迹模型的初始迭代值。与Leishman-Beddoes非定常动态失速模型、Pitt-Peters动态入流模型、共轴直升机上下旋翼桨叶全本征动力学方程及弹性桨叶与变距轴承边界约束条件等计算模块相结合,建立了一种考虑上下旋翼之间气动干扰及耦合迭代的共轴双旋翼振动载荷计算模型。为验证本分析模型的计算精度,以西科斯基公司的验证机XH-59A为研究对象,与国外风洞试验结果进行了对比,两者吻合较好。     

倾转旋翼/机翼耦合系统过渡飞行瞬态响应分析

基于多体动力学方法建立倾转旋翼机过渡飞行瞬态响应分析模型,研究过渡飞行状态下倾转旋翼机非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲影响,修正直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡飞行的多体动力学方程,建立倾转旋翼机过渡飞行状态下时域非定常耦合分析模型。以半展长弹性机翼全铰接式倾转旋翼机模型为例,分析倾转旋翼机倾转过渡飞行瞬态响应时间历程。数值计算表明:本文建立的时域模型能够快速有效分析倾转旋翼机在过渡飞行时的瞬态特性,能够反映倾转旋翼机旋翼/机翼间复杂的气弹耦合动力学关系。     

共轴双旋翼悬停地面效应气动特性分析

基于时间步进算法建立了适用于共轴双旋翼气动特性分析的旋翼自由尾迹模型,并采用面元法对水平和倾斜地面效应影响下共轴双旋翼系统气动特性进行了研究。在建模的过程中,采用Weissinger-L一阶升力面模型模拟了桨叶的三维效应,并充分考虑了旋翼/旋翼和旋翼/地面之间的气动干扰。通过与尾迹几何和诱导速度试验数据的对比,验证了计算模型的可行性。在此基础上,对共轴双旋翼在地面效应影响下的旋翼尾迹几何形状、流场诱导速度矢量分布和上下两旋翼桨叶的拉力系数分布进行了计算及分析。结果表明,悬停状态下,共轴双旋翼上下旋翼间存在强烈的气动干扰,且地面的影响使旋翼尾迹涡线径向扩展且向上卷起,对共轴双旋翼下旋翼拉力产生明显的影响。     

旋翼／机身耦合系统的固有特性研究

直升机的旋翼与机身在桨毂处是机械耦合的，用旋翼阻抗和机身阻抗在桨毂处匹配的方法分析旋翼／机身耦合系统的固有特性。旋翼阻抗由旋翼在固定坐标系中的运动方程得到，这个运动方程由旋翼旋转坐标系中的桨叶模态方程导出，机身阻抗可由此可见 身的有限元分析计算或振动试验获得，还设计与加工了一个旋翼／梁耦合模型，对此模型进行了试验研究，试验结果和计算结果比较表明，分析旋翼／机身耦合系统固有特性的方法是可行的，且具有较高的精度。     

旋翼翼型定常-非定常特性综合优化设计新方法

旋翼翼型对直升机旋翼及全机气动特性有至关重要的影响。结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,本文提出了一种新的旋翼翼型设计理念,即定常优化设计同非定常设计相结合的方法来开展直升机旋翼专用翼型的优化设计。首先,建立旋翼翼型非定常气动特性的高精度CFD求解方法,以获得旋翼翼型在相应状态下的升力、阻力和力矩等气动参数。其次,针对旋翼翼型优化状态的特点,对于翼型静态优化及动态失速优化分别采用遗传算法和序列二次规划算法。在上述方法建立基础上,首先针对定常状态下的原始翼型(SC1095)进行优化设计,获得一个满足设计要求的静态优化翼型,进一步着重对该翼型在非定常状态下进行优化设计,成功地得到一种新翼型,并具有非常规外观。结果表明,在设计状态下,新翼型在保持良好定常气动特性的同时,明显减弱了动态失速状态下的分离涡,从而显著改善了翼型的动态失速特性。