变转速旋翼气动特性分析及试验研究

直升机旋翼以固定不变的转速工作,仅能使有限状态的旋翼效率达到最优,而通过旋翼转速的变化,可以实现不同飞行状态下的旋翼效率最优.为了研究不同旋翼转速时的旋翼气动特性,首先建立了适合旋翼在低转速飞行情况下的气动特性分析模型,该模型包含了Leishman-Beddoes非定常动态失速模型与适合于低马赫数(Ma＜0.3)分析的Sheng失速修正模型;其次,在低速风洞2.5m旋翼模型试验台上试验研究了模型旋翼的悬停效率及前飞需用功率与旋翼转速之间的关系.试验与计算结果的对比表明:所建立的气动分析模型能够准确地计算旋翼在低转速情况下的气动特性;通过优化旋翼转速,增大了桨叶剖面迎角,提高了桨叶剖面的升阻比;并且当旋翼以最优转速旋转时,模型旋翼的悬停效率最大可以提高32％,前飞需用功率最大可以降低22％.     

前行桨叶概念旋翼动力学分析方法

根据前行桨叶概念(ABC)旋翼配平方程中未知量多于方程数的特点,提出了一种基于优化的配平问题求解方法。进而结合计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)松耦合策略,建立了ABC旋翼动力学分析方法。CFD分析中以非定常Euler/Navier-Stokes方程为控制方程,通过动态重叠网格及动网格方法实现桨叶的运动及变形;桨叶结构模型采用非线性中等变形梁理论建立。以XH-59A直升机为例,对不同前飞速度下的旋翼效率进行了仿真分析,计算结果与飞行试验值吻合良好。仿真结果表明,该旋翼动力学分析方法具有很好的分析精度和收敛性,可广泛应用于ABC旋翼动力学分析。     

桨叶分段线性扭转对旋翼性能的提升

为研究桨叶沿展向不同位置的负扭转对直升机旋翼性能的影响,以各向异性复合材料中等变形梁模型为基础建立旋翼性能计算模型,实现在不同速度前飞时直升机旋翼需用功率的预测。理论预测与试飞数据对比一致,验证了本文分析模型的有效性。以UH-60直升机为样例,按翼型将桨叶沿展向分为内、中、外3段,从迎角和升阻比分布入手研究各段负扭对旋翼需用功率的影响效果和机理。整体上,直升机前飞速度越高,桨叶负扭的影响越明显。其中,内段负扭对旋翼性能有负面影响,但影响较小;中段负扭对桨盘上气流环境的改善起决定性作用,高速前飞时可使旋翼需用功率降低10%以上;外段负扭有利于降低需用功率,作用效果一般。通过遍历法得到了一组分段线性桨叶扭转方案,在各飞行状态时都优于线性负扭方案。     

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.      

复合材料参数化桨叶的动力学减振优化设计

为了进行桨叶动力学优化设计,建立面向工程设计的复合材料多闭室C型梁桨叶剖面参数化模型,实现了桨叶剖面气动外形、内部结构组件、复合材料铺层设计的参数化,并提出了一种保持C型梁纤维面积恒定的参数化设计方法.采用全局寻优能力较强的多种群遗传算法(MPGA),集成参数化设计模型与旋翼有限元气动弹性综合分析模型,通过桨叶各剖面结构组件的参数优化实现了旋翼动力学减振.算例给出了"海豚"直升机桨叶剖面特性实测值与参数化桨叶模型计算值的对比,整体误差不超过3%,并用该参数化模型对桨叶进行动力学减振优化,实现了旋翼加权优化振动载荷系数减小4.15%,经过优化后桨叶的配重位置更加分散,有利于缓解桨叶内部应力/应变突变;而且部分配重分配到桨尖,提高了旋翼的自转惯量,增加了旋翼自转下滑的安全性.     

直升机急拉杆机动飞行仿真建模与验证

 针对直升机大机动飞行仿真,建立了一个非线性的飞行动力学模型,考虑了翼型非定常/动态失速、机动飞行引起的动态尾迹畸变、桨叶弹性变形效应和发动机动态特性。采用基于有限元分析的挥舞-摆振-扭转耦合的弹性桨叶模型,并利用一种新的数值方法将旋翼/机体耦合运动方程表示为显式形式,整个飞行动力学模型表示为状态空间格式。以UH-60A直升机在高速飞行条件下的急拉杆机动飞行为例进行仿真计算,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明,仿真结果与试验结果吻合,高速飞行条件下机体抬头过程中前行桨叶非定常气动载荷的计算误差是引起旋翼和机体运动仿真误差的主要原因。     

变距变转速多轴旋翼飞行器性能分析与试验

分析了制约现有多旋翼无人机性能方面的影响因素,提出通过旋翼变距变转速来改善其飞行性能的方法;综合动态失速、桨叶非定常挥舞与旋翼动态入流模型,建立了旋翼变距与变转速的气动模型,为准确的性能分析奠定基础;研制了变距变转速多旋翼试验样机并进行了飞行试验。试飞试验结果与理论计算结果表明:飞行器随着起飞质量的增加,需用功率明显增加;飞行器在不同起飞质量,不同旋翼转速下的需用功率值理论结果与试飞试验结果对比表明,小起飞质量下的功率计算值与实验值相符程度达到97%,而在大负载下理论计算值与实验值相符程度也在95%左右,证明了理论分析方法能较好的预估飞行器的气动特性和性能指标。进一步的理论计算表明,旋翼变距和变转速技术能够有效提高多旋翼飞行器起飞质量,续航时间等关键性能指标。      

转速优化旋翼的桨叶气动外形参数优化设计

为了获得转速优化旋翼桨叶的最优气动外形,采用自由尾迹方法计算旋翼入流,以叶素积分法计算桨叶气动力,建立了旋翼气动分析模型,为了保证计算精度及效率,旋翼配平计算采用了二次配平方法。首先分析了不同桨叶气动外形参数对旋翼性能的影响,再利用遗传算法,以悬停效率和前飞需用功率为目标,对转速优化旋翼桨叶的气动外形进行优化设计,得出了转速优化旋翼桨叶的最优气动外形方案。在最优方案的基础上,采用区间因子法分析桨叶外形参数变化对旋翼效率影响的敏感度,根据敏感度值验证了方案的最优性。最后根据设计的最优桨叶气动外形方案,研制了桨叶试验模型,进行了风洞吹风试验,试验结果表明最优桨叶气动外形能使转速优化旋翼的悬停与前飞性能指标达到理论预期值,从而验证了转速优化旋翼桨叶最优气动外形设计的有效性。     

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

基于矩阵运算的直升机旋翼/机体耦合动力学模型

针对直升机旋翼/机体耦合动力学建模中,小角度线性简化带来的计算精度下降以及适用范围缩小等问题,在计算桨叶速度及加速度时,基于矩阵运算,保留了运动的非线性。对不同机体运动幅值和频率情况下的小角度线性简化对桨叶速度的影响进行了仿真分析,结果发现,随着机体运动幅值的增加,线性简化影响越来越大,滚转幅值 15°时,简化带来的误差超过 5%;俯仰幅值 15°时,简化带来的误差超过 6%,且随着机体运动频率的减小,误差越来越大。对不同桨距的情况进行仿真,结果表明,所建模型可以很好地模拟直升机的动态响应,采用该模型可进行直升机旋翼/机体耦合动态响应仿真分析。     

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。     

基于优化算法的倾转旋翼准定常气动模型

取消了传统直升机旋翼准定常气动模型中对飞行工况和桨叶形状的诸多假设和限制,建立了适合倾转旋翼特殊桨叶形状、桨毂构造以及飞行工况的准定常气动模型.桨叶气动载荷计算基于叶素理论进行数值积分,旋翼挥舞系数通过序列二次规划算法(SQP)进行数值优化求解,诱导速度分布采用Pitt-Peters动态入流模型的稳态形式.利用该方法计算了XV-15倾转旋翼机的旋翼在不同工况下的气动性能以及挥舞系数.计算结果与风洞实验数据吻合良好,误差在8%以内且计算效率高,单一工况求解耗时在5min以内,该方法可用于倾转旋翼机总体设计阶段的性能分析或建立其飞行动力学模型.      

自转旋翼的气动优势和稳定转速

旋翼机在正常飞行中和直升机在自转下滑时,其旋翼都处在自转状态。从建立自转旋翼的气动模型入手,通过与直升机正常工作状态下的旋翼的气动特性的对比,得出自转旋翼具有较好的气动环境和更高的效率;讨论了旋翼机的稳定转速与总距角、前飞速度以及桨盘迎角的关系,通过分析说明在设计旋翼机时,可选择一固定总距,使旋翼机在相当宽的飞行范围内,只需小幅度调整桨盘迎角就可保持稳定飞行。     

六旋翼无人机的飞行力学建模研究

为开展六旋翼无人机的全机飞行力学建模研究,针对六旋翼无人机的前飞和非定常飞行要求,引入了动量叶素理论和动态人流理论对旋翼气动力进行分析.根据无人机的变转速控制方式,增加了旋翼转速变化对机身运动的影响项,推导了使六旋翼总需用功率最小的拉力分配优化方法,建立了六旋翼无人机的飞行力学模型.气动力计算结果表明,新建立的旋翼气动力计算方法精度高于现有的比例系数法.     

共轴刚性旋翼气动干扰及操纵特性分析

建立了一套基于高效配平策略和嵌套网格技术的共轴刚性旋翼气动数值分析方法。流场求解采用雷诺平均Navier Stokes方程,空间离散采用Roe monotone upstream centered schemes for conservation laws（MUSCL）格式,湍流模型为Spalart Allmaras模型;配平计算中引入“差量修正”策略。分析了共轴刚性旋翼模型在不同飞行状态下的气动干扰现象和操纵特性。结果表明:所建立的配平方法在同等精度下,比传统方法可显著节省计算时间;共轴刚性旋翼间距较小,其气动干扰明显强于普通共轴旋翼;悬停状态下,由于受上旋翼下洗流影响,下旋翼总距较大但拉力较小;小速度前飞时气动干扰引起下旋翼气流不对称性增大,双旋翼周期变距差也变大;采用适当的升力偏置量,可以提高共轴刚性旋翼气动效率。      

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。     

直升机机动飞行旋翼的气动力模拟

探讨了预测机动飞行旋翼气动力的细节问题。在考察非均匀诱速分布、入流动力学和非定常翼型性能的基础上,建立了一种模拟非定常旋翼气动力的新方法。对某一特定机动科目,首先由逆解技术得到操纵输入和飞行姿态;然后综合应用涡流理论、动力入流理论和非定常翼型气动模型来数值模拟非定常的旋翼气动力。通过样例分析给出了紧急转弯和平飞跃升的计算结果。     

直升机垂直飞行状态气动参数辨识方法研究

准确计算直升机的悬停升限依赖于诸如桨尖损失系数,非均匀旋翼诱导速度分布,旋翼下洗引起的直升机增重效应及发动机与旋翼之间的功率传递系数等气动参数的准确度。然而,由于复杂的旋翼空气动力现象,准确预估以上气动参数有较大难度。本文提出了一种确定直升机垂直飞行状态上述气动参数的方法,该方法通过建立直升机垂直飞行状态的运动方程,实测直升机垂直飞行时的相关信息,采用参数辨识的方法得到直升机垂直飞行时的气动参数,然后,利用辨识结果确定直升机的悬停升限。结果表明该方法能有效地确定直升机垂直飞行时的气动参数及相应的悬停升限,且具有飞行试验简便,不受直升机装载和外界环境条件变化限制的特点。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF AERODYNAMICINTERACTION EFFECT OF ROTOR WAKE ONFUSELAGE OF HELICOPTER

The aerodynamic interaction effect of rotorwake on fuselage isan importantproblem in designof helicopter. It affects flight performance,equi-librium,control stabilization and vibrational level.The developing trend of modern helicopter is thatthe size is towards more compact and the load ofrotor disk is towards heavier. The load of rotordisk is about 2 0 kg/ m2 in the 5 0 s,but for modernhelicopter it is up to about 5 0 kg/ m2 . Therefore,the strong rotor wake impacting the closerfuselageand t…