自转旋翼机飞行性能理论建模技术

为研究自转旋翼机的飞行性能理论建模技术,基于基本分析法和配平分析法,对自转旋翼机整机需用功率的建模方法进行了研究,并研究了自转旋翼机的桨盘迎角特性、升阻特性以及自转旋翼桨叶剖面迎角分布特性等。研究表明:建立的基本分析法和配平分析法计算模型均可以准确计算自转旋翼机的整机需用功率和自转旋翼桨盘迎角,两种方法均可用于自转旋翼机飞行性能的分析;小速度时整机需用功率主要来自于自转旋翼功率,大速度时机身废阻功率成为整机需用功率的主要来源;适当增加总距可以提高自转旋翼和整机的升阻比;在自转旋翼设计时可以对桨叶剖面翼型的展向分布进行优化,在桨根处优先采用相对不易失速的翼型以推迟失速对最大飞行速度的限制。     

高速直升机方案中旋翼自转状态的实验研究

近年来对高速直升机的研究日益兴盛起来,而高速直升机设计的利用自转状态在相同临界迎角下可以承担更多升力的特点,提出将自转引入升力转移的过程中,从而达到减小机翼面积、降低机体重量、减小阻力的目的.针对某一高速直升机方案的自转状态,本文设计和建设了试验模型和试验设备,进行了相应的实验研究.通过与直升机正常工作状态下旋翼的实验结果对比,得出了自转旋翼具有更高的效率的结论;并且根据实验结果分析了自转旋翼的稳定转速与前飞速度以及桨盘迎角的关系.通过与前期理论研究的计算结果相比较,对已有的气动模型进行了检验,理论与实验结果得到了相互印证.     

电控旋翼直升机飞行动力学建模与配平特性研究

首先基于Peters He广义动态尾迹理论,建立了电控旋翼动态尾迹入流模型,进一步结合电控旋翼襟翼操纵与桨叶变距之间的关系、桨叶挥舞运动方程和带襟翼翼型非定常气动力模型建立了适用于飞行力学分析的电控旋翼气动力模型.在此基础上,结合机身、尾桨、尾面的气动力模型,建立了完整的电控旋翼直升机飞行动力学分析模型.以Z-11直升机为基准改造为电控旋翼直升机作为算例,计算了前飞状态下电控旋翼直升机的诱导速度分布和桨盘迎角分布,对比了电控旋翼与常规旋翼的气动特性差异;在此基础上,进一步分析了电控旋翼直升机的配平特性随前飞速度的变化规律以及与常规直升机的差异.     

旋翼气动特性分析及直升机配平计算

以UH-60A直升机为例,建立了适合用于准确细致地描述旋翼气动特性和直升机配平的旋翼气动模型。分别将动量理论模型和该旋翼气动模型代入直升机全机飞行动力学模型中,对算例直升机进行了配平,并与试飞数据和参考模型结果进行了对比,验证了该模型有效且精度更好。在此基础上,分析了不同前进比桨盘诱导速度、迎角和升阻比的分布。结果表明:随着前飞速度增加,诱导速度分布更加不对称,桨盘侧倾加剧;大速度前飞时后行桨叶气流分离区域变大,在反流区内外迎角分布将发生突变;由于空气压缩性和反流区作用,大速度前飞时前行桨叶桨尖处与反流区内升阻比较低。      

ELA-07自转旋翼机飞行力学特性分析

自转旋翼机与同类直升机相比,具有其独特优势,现已在民用领域得到广泛应用。为了给自转旋翼机的无人化飞行控制提供理论参考,分析其特点、优势及使用中存在的问题,基于该类飞行器的特点,在旋翼可变转速、螺旋桨、机体气动力基础上,建立自转旋翼机的飞行动力学模型;以整体倾斜桨盘式ELA-07AGRO为样例,对该自转旋翼机进行配平和稳定性计算;对其在巡航飞行时(120km/h)的操纵量、姿态角和模态进行提取,并与计算结果做对比分析。结果表明:在常规飞行速度范围内,样例自转旋翼机的桨盘纵向操纵单调向前压杆,横向操纵单调向左压杆(幅值很小),方向舵逐渐向右偏转,油门先减小后增大;稳定性方面,螺旋和荷兰滚模态的发散非常缓慢,而长/短周期、旋翼转速和滚转收敛模态都是稳定的,即样例自转旋翼机具有良好的飞行稳定性。     

旋翼机总体设计的几个问题

结合自转旋翼特性及旋翼机设计的独特性,在直升机空气动力学和飞行动力学原理的基础上修改并建立了计算模型,解决了旋翼机气动布局、总体参数及旋翼设计等方面的难题.     

螺旋桨滑流对自转旋翼气动特性影响分析

自转旋翼机在前飞时螺旋桨滑流穿过桨盘平面,为研究螺旋桨滑流对自转旋翼的非定常气动干扰,基于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)方程,采用运动嵌套网格方法建立了适用于自转旋翼-螺旋桨气动干扰流场的计算分析方法,并对模型进行模拟。分析低速情况下,孤立状态自转旋翼和组合状态自转旋翼非定常气动特性及流场特性,研究不同速度及螺旋桨位置对自转旋翼气动特性的影响。计算结果表明螺旋桨滑流会影响自转旋翼在各方位角的升阻力特性,并引起自转旋翼尾迹在0°方位角附近发生畸变;相同升力下,来流速度越大旋翼后倾角越小,螺旋桨滑流对自转旋翼影响越小;增大螺旋桨与自转旋翼间距可以减弱螺旋桨滑流对自转旋翼的气动干扰。     

旋翼桨涡干扰噪声开环桨距主动控制研究

直升机在斜下降飞行时旋翼产生的桨涡干扰(BVI)噪声十分严重,桨距主动控制是降低旋翼BVI噪声的有效手段之一。为摸索其对旋翼BVI噪声的影响规律并阐释其机理,开展了开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。建立能够计入开环桨距主动控制的旋翼自由尾迹模型,并结合翼型气动力模型及基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的旋翼载荷噪声计算模型,建立旋翼BVI噪声开环主动控制模型。以40%缩比的4桨叶BO-105直升机模型旋翼为算例,在风洞配平状态下开展开环桨距主动控制对旋翼BVI噪声的影响研究。通过分析算例旋翼在不同相位、幅值的桨距主动控制下的BVI噪声声压级、桨盘气动载荷及桨盘迎角分布,总结出开环桨距主动控制影响旋翼BVI噪声的规律,并初步阐释了其机理:适当的桨距主动控制可改善桨盘迎角分布,降低桨涡干扰位置附近的桨叶气动载荷,从而降低BVI噪声。     

机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响

为了研究机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响,针对某复合式自转旋翼机,建立了基于状态空间法描述的非线性全量方程数学模型。该模型包含自转旋翼、机身、螺旋桨、机翼和尾翼的气动模型、动态入流模型和稳定性分析模型。运用该模型对比研究了样例自转旋翼机和样例复合式自转旋翼机的纵向稳定性。研究结果表明：机翼的增加对于浮沉模态和短周期模态稳定性是有利的;对于旋翼转速模态稳定性是不利的,在设计复合式自转旋翼机时可以考虑增加旋翼桨尖配重来提高此模态的稳定性。机翼的纵向位置对自转旋翼机的纵向稳定性有显著影响。在机翼纵向位置能满足配平约束条件下,机翼纵向位置越靠后,迎角稳定性越好,但旋翼转速稳定性越差。在设计复合式自转旋翼机时,机翼纵向位置的选择要综合考虑这两个因素进行折中。     

机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响简

 为了研究机翼对自转旋翼机纵向稳定性的影响,针对某复合式自转旋翼机,建立了基于状态空间法描述的非线性全量方程数学模型。该模型包含自转旋翼、机身、螺旋桨、机翼和尾翼的气动模型、动态入流模型和稳定性分析模型。运用该模型对比研究了样例自转旋翼机和样例复合式自转旋翼机的纵向稳定性。研究结果表明：机翼的增加对于浮沉模态和短周期模态稳定性是有利的;对于旋翼转速模态稳定性是不利的,在设计复合式自转旋翼机时可以考虑增加旋翼桨尖配重来提高此模态的稳定性。机翼的纵向位置对自转旋翼机的纵向稳定性有显著影响。在机翼纵向位置能满足配平约束条件下,机翼纵向位置越靠后,迎角稳定性越好,但旋翼转速稳定性越差。在设计复合式自转旋翼机时,机翼纵向位置的选择要综合考虑这两个因素进行折中。     

共轴双旋翼及孤立旋翼自转气动特性试验研究

为了研究旋翼自转状态下的气动特性,开展了孤立旋翼及共轴双旋翼自转气动特性试验研究。该试验设计了上/下旋翼具有不同安装形式的试验装置,可测得上、下旋翼及孤立旋翼的转速及其产生的气动力和力矩。通过风洞试验研究了共轴双旋翼以及孤立旋翼在自转状态下的气动特性,明确了旋翼转速及升力与影响参数之间的变化关系,对比分析了双旋翼上/下旋翼的相互干扰强度以及三片桨叶和两片桨叶的孤立自转旋翼气动特性,阐述了桨叶片数对旋翼稳定自转特性的影响,提出了提高直升机自转下降安全性的方法。     

旋翼机自转旋翼气动特性及跳飞性能研究

为了设计具有跳跃式起飞功能的旋翼机,本文用叶素理论分析了自转旋翼桨叶的气动特性,采用数值积分方法及引入动态入流理论建立了比较完善的自转旋翼气动计算模型,并应用该模型对旋翼机稳定自转和跳飞性能进行了研究,分析了旋翼机实现跳飞所需要的旋翼设计参数和操纵量的要求.算例给出了跳飞过程的性能曲线,并与国外文献进行了比较,结果表明本文理论方法有效可靠.     

基于自由尾迹方法的自转旋翼气动特性研究

为研究自转旋翼的气动特性,建立了自转旋翼的自由尾迹方法计算模型,并耦合桨叶挥舞运动模型和自转旋翼配平模型,建立了一种分析自转旋翼气动特性的方法。以某试验自转旋翼为算例对该方法进行了验证并运用该方法研究了自转旋翼的尾迹几何形状和桨盘诱导入流分布特性。研究结果表明:建立的自由尾迹方法计算模型可以满足自转旋翼气动特性分析的需求,相比传统的近似入流模型,该自由尾迹方法模型精度更高;前飞时自转旋翼尾迹随时间推移自桨盘处向桨盘后上方运动,水平面内自转旋翼尾迹畸变略小于驱转旋翼;自转旋翼桨盘诱导入流呈非均匀分布,从桨盘前缘到后缘,下洗入流大致呈不断增加趋势,在相同拉力水平下,自转旋翼90°方位角附近及桨盘后缘的诱导入流小于驱转旋翼。     

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。     

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。     

AC311直升机自转下滑性能优化分析与处理

通过对AC311直升机自转着陆模拟试飞,验证其自转下滑性能满足CCAR27适航要求.在试飞过程中,飞行员发现发动机无动力时旋翼转速下降较快,在接地前“瞬时提距”时旋翼转速恢复较慢,较难完成自转着陆.为此,根据国际上比较贴近飞行员的定性意见的当量悬停时间,设计部门分析自转下滑性能偏低的原因,并通过换装参考直升机主桨叶进行对比试飞确认,提出了调整桨叶转动惯量的解决措施.这些措施经装机试飞验证取得了很好的实施效果.     

变转速旋翼直升机单发失效低速回避区分析

利用最优控制方法研究变转速旋翼直升机在遭遇单发失效时,旋翼转速对自转着陆低速回避区的影响。首先,以UH-60A直升机为样机,建立三维刚体飞行动力学模型,并分析低速范围内旋翼转速对直升机需用功率的影响。然后,在模型中加入单发失效后自转着陆阶段发动机输出功率以及旋翼转速变化方程,并利用直接多重打靶法将直升机单发失效后的自转着陆过程转换为非线性最优控制问题进行数值求解。最后,基于最小化回避区面积的思想,得到并分析直升机在不同旋翼转速下单发失效后的自转着陆低速回避区,以及回避区高悬停点、拐点和低悬停点对应的最优着陆轨迹和操纵过程。结果表明：随着旋翼转速的降低,直升机单发失效后的低速回避区首先会逐渐缩小,然后迅速增大。最小回避区对应的旋翼转速略高于最小需用功率对应的旋翼转速。适当降低旋翼转速不仅能有效降低直升机的需用功率,还有利于提高直升机单发失效后的自转着陆性能。