直升机尾桨涡环飞行试验研究

根据样机右侧飞的飞行试验,对尾桨涡环现象进行了计算分析;根据右侧飞试验结果,估算出样机悬停回转时尾桨处于涡环状态的偏航角速度范围;将试验结果与国内外的涡环状态判据进行了对比。结果表明,国外的涡环判据不适用于样机的尾桨涡环状态判定,国内的高-辛判据与试验结果一致。     

直升机涡环状态建模仿真研究

涡环对直升机的飞行安全具有很大的危害,直升机在陡下滑机动过程中可能会进入涡环状态.通过对滑流理论的修正,得到了适用于涡环状态的直升机旋翼诱导速度计算模型.以此为基础,进行了直升机涡环状态的实时仿真研究,给出了直升机进入涡环后典型的响应特征.仿真结果与试验/试飞结果具有良好的一致性,说明所建模型准确、可靠.     

侧风下孤立尾桨的气动特性和抗侧风优化

尾桨涡环严重危害了直升机飞行安全，为探讨涡环对桨盘附近诱导速度场的影响和解释桨叶拉力非定常脉动的原因，构建了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的尾桨涡环数值计算方法，并结合叶素动量理论和圆线涡环模型进行气动分析。同时，为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷，建立了一套全湍流连续伴随的翼型优化框架，获得的翼型用于尾桨设计以提高尾桨抗侧风能力。结果表明，桨盘附近诱导速度场对侧风入流速度十分敏感，在典型涡环状态下，14.65 m/s侧风导致涡环的涡强增大且不断改变，引发翼剖面的有效攻角随桨盘附近风速动态减小，进而尾桨拉力下降至原有的58.5%并伴有高频脉动。全湍流连续伴随在最优外形的获取上则要领先于冻结湍流黏性假设，最佳翼型获得的尾桨相较于原始尾桨的拉力提高了10.9%，悬停效率提高了3.9%，扩大了尾桨进入涡环的临界侧风速度。     

尾桨倾斜对直升机飞行性能的影响

自从20世纪70年代美国西科斯基公司在黑鹰上成功采用倾斜尾桨构型方案后,30多年来,先后又有CH53E、S92、AB139等多种大、中型运输直升机采用倾斜尾桨构型,本文主要分析尾桨倾斜对直升机飞行性能的影响,并以某样例直升机为例进行了两种尾桨构型方案飞行性能的对比计算,同时也对倾斜尾桨和常规尾桨设计方案的优缺点进行了讨论.     

直升机涡环区域边界包线的确定

在旋臂式模型旋翼试验机上模拟直升机的垂直下降和斜下降飞行，试验中首次发现了旋翼进入涡环区域的特征现象－－旋翼轴扭矩的异常变化。在分析试验结果的基础上，探讨了确定涡环区域的方法，对美国Ｐｅｔｅｒｓ教授提出的涡环边界判据进行了试验修正，进而建立了一套通用的半经验算法，计算出涡环区域的速度边界包线。     

基于二维频谱方法的直升机噪声源的分辨与提取

针对直升机飞行时其噪声中多种噪声源相互混叠难以分辨的问题,通过随机信号理论分析,结合直升机噪声信号的特点,发展了基于二维频谱分析的直升机噪声源分辨与提取模型及方法,在此基础上将该方法应用于剪刀式尾桨直升机尾桨噪声信号的频域提取与分析.本文首先推导了这种方法的理论模型,并给出相应的求解方法;然后采用该方法分别对模拟和实测的直升机总体噪声信号进行分析,计算结果表明该方法可以有效地提取出总体噪声中的各谐波成份.最后通过对剪刀式尾桨直升机噪声的分析,获得了剪刀式尾桨降噪的机理.     

直升机涡环状态和改出

涡环状态是直升机在下降或下滑飞行阶段一种固有的危及飞行安全的危险状态。它会导致直升机操纵失灵,在颠簸下跌中坠地失事,在我国也发生过多起这类事故,因而涡环边界的确定是保证直升机飞行安全的重要措施。本文介绍了国外直升机涡环状态及其边界的理论和试验研究现状,并重点介绍了我国对此问题的研究和我国学者如何通过模型试验及理论计算,结合飞行试验,得到了比国外的研究更为实用的直升机涡环状态边界的情况     

直升机低速飞行特性与意外右偏航

根据国外有关参考资料，对直升机丧尾桨推力导致意想不右偏航进行了讨论分析，简单介绍了直升机飞行时的四种飞行特性，（风标稳定性、尾桨涡环状态、主旋翼桨盘旋涡影响，丧失前飞升力）在意外右偏航中的作用和特点，以及改出方法和实施改出的应急措施，为飞行人员保证飞行安全提供了参考依据。     

直升机近地飞行时的配平和机动操纵分析

在单旋翼带涵道尾桨直升机的非线性全量飞行动力学模型的基础上,提出了求解配平和机动操纵问题的一种混合算法,研究了地面效应对配平和机动操纵的影响.以某直升机为算例,在近地飞行和考虑不同速度与高度时,分别进行了直升机稳定飞行时的配平计算,然后以侧向紧急转弯机动为例,对机动操纵规律的问题进行了计算分析,计算结果与地面效应的理论相符合,机动过载和操纵变化规律可以为飞行试验提供借鉴.所建立的理论方法可以为直升机近地飞行时的动力学和控制分析提供参考.      

施瓦泽269型直升机涡环边界确定

本文针对一起典型的施瓦泽269型直升机做自转下滑训练时进入涡环状态的飞行事故进行分析研究。介绍了直升机涡环的形成机理,基于经典的高-辛判据方法计算得出施瓦泽269型直升机的涡环边界,并使用该型机对计算结果进行验证试飞,经综合分析最终确定了的涡环边界,为后续的特情飞行训练提供了技术保障。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

基于N-S方程的剪刀式尾桨前飞状态气动力计算研究

建立了一个适用于计算剪刀式尾桨前飞状态气动力的数值方法。在该方法中,采用惯性坐标系下的非定常Navier-Stokes方程作为主控方程,使用低数值耗散的Roe格式进行空间离散,并应用高效的隐式LU-SGS格式进行时间推进;采用双时间法以模拟尾桨前飞时的非定常现象;使用运动嵌套网格方法以计入尾桨桨叶的旋转运动。应用建立的方法,首先对有试验数据可作对比的Lynx直升机尾桨悬停状态气动性能进行了计算,验证了所建立方法对尾桨气动性能计算的有效性;同时,针对Helishape 7A旋翼进行了前飞状态气动载荷计算,验证了该方法对旋翼(尾桨)前飞气动载荷计算的有效性。最后,对剪刀式尾桨前飞状态进行了气动力计算,并分析了构型参数对剪刀式尾桨气动力的影响。计算结果表明,前飞状态时,相同总距下剪刀式尾桨的平均拉力要大于常规尾桨,且剪刀式尾桨在90°-180°-270°方位角内的桨-涡干扰现象较常规尾桨严重。     

麦道直升机公司无尾桨直升机的发展

无尾桨直升机发展历程麦道直升机公司的前身休斯直升机公司,早在1975年就开始自筹资金进行无尾桨技术的发展研究,并于1977～1978年期间进行了飞行试验。试验是在一架改装后的OH-6A直升机上进行的,该机仍带有尾桨,只是在尾梁外加装了玻璃钢环量控制包皮,用一个普通风扇提供低压气流。首次试飞时环量控制尾梁提供了相当于尾桨25％推力的侧向力,证实了环量控制尾梁的可行性和有效性。     

倾斜尾桨对直升机设计重心包线的影响

以UH-60A为例建立了直升机非线性飞行动力学模型,对算例进行配平验证;基于配平操纵量和陆军航空设计标准ADS-33E-PRF飞行品质规范中的稳定性指标,分析了重心变化所产生的影响,提出了一种计算直升机设计重心包线的方法;计算了不同尾桨倾斜角下的重心包线,分析了倾斜尾桨对重心包线的影响。结果表明,在一定范围内,重心包线随倾斜角增大而后移;对于样例直升机,尾桨倾斜角为20°时的重心变化范围比无倾斜角下的重心变化范围扩大了约20%。     

求解直升机协调转弯状态的GA-SM配平与验证

为了能快速搜索到直升机定常飞行状态的最佳平衡点,在分析直升机飞行仿真系统模型的基础上,建立了满足配平问题的目标函数,提出了一种基于混合遗传算法的配平计算分析方法。旋翼气动模型集成了桨叶的挥舞运动、旋翼动态入流模型和非定常动态失速气动模型。以直升机整机动力学模型为基础,详细推导出协调转弯状态下的约束条件和配平控制量。以UH-60A直升机为研究对象,进行了协调转弯的全机配平计算,并与飞行试验数据进行了对比验证。结果表明:脚蹬配平值误差较大,造成误差的可能原因是尾桨倾斜的附加垂向力引起了纵向、横向和航向全耦合;其他配平结果与飞行试验数据吻合较好。     

倾斜尾桨直升机侧滑-俯仰耦合研究

针对倾斜尾桨直升机的侧滑-俯仰耦合进行了分析研究。首先描述了倾斜尾桨直升机在横侧静稳定性模拟试飞中出现的侧滑-俯仰耦合现象;进而分析了该耦合产生的机理,给出了该耦合的主要影响因素;最后对该耦合的解耦方法和试飞评估方法进行了研究。研究结果可为倾斜尾桨直升机侧滑-俯仰耦合的试飞与评估提供重要参考。     

直升机旋翼/尾桨/垂尾气动干扰计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD)技术的直升机旋翼/尾桨/垂尾气动干扰分析方法。在该方法中,选取Navier-Stokes方程为控制方程,使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散,并选取隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行时间推进,湍流模型为B-L(Baldwin-Lomax)模型;为了实现旋翼、尾桨和垂尾网格之间的流场信息交换,采用运动嵌套网格方法。应用所建立的方法,对Helishape 7A旋翼和Lynx直升机尾桨进行了算例计算,并与试验数据进行对比,验证了方法的正确性。着重针对旋翼/尾桨干扰特性进行了计算,并进一步计入垂尾的干扰,对垂尾/尾桨干扰以及旋翼/尾桨/垂尾干扰特性进行了研究,分析了旋翼、尾桨和垂尾相互干扰的规律。结果表明:对于不同的垂尾/尾桨构型,阻塞面积越大,对应的尾桨拉力也较大,但尾桨和垂尾获得的净拉力却减小,且不同阻塞面积下,推力式构型尾桨比拉力式尾桨具有更大的净拉力;然而,在前飞过程中,直升机垂尾对旋翼与尾桨干扰的影响很小。     

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。     

基于桨盘倾角的直升机涡环状态边界修正计算方法

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。     

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。