高速直升机方案中升力转移过程的设计和试验研究

在众多高速直升机方案中，最有发展前途的就是旋翼／机翼转换式高速直升机。目前大多数转换式高速方案都采用升力转移来解决导致直升机不能飞得更快的根本原因——旋翼相对气流分布的不对称性所造成的气流分离及激波问题，即从直升机模式由旋翼承担升力过渡列固定翼飞机模式由机翼承担升力。而升力转移过程中，升力、功率和操纵的平滑过渡则是此方案的关键。本文根据某高速直升机方案设计了其升力转移过程，并用试验对升力转移过程进行了验证。     

旋翼/机翼转换式高速直升机RD15方案设计

首先对目前各种类型的高速直升机方案和提高前飞速度的新技术进行了综合比较和分析,在此基础上提出了一种旋翼/机翼转换式高速方案。然后,设计了高速直升机RD15的总体方案和直升机/飞机模式的转换过程。在该方案中,升力系统由盘翼和可收缩的桨叶组成;悬停和低速前飞时的控制采用单片桨叶控制技术;尾部采用矢量推力的涵道螺桨,不仅在悬停时提供方向控制,而且在飞机模式时提供高速前飞的推力和多种控制。最后,对此方案旋翼系统的气动特性和关键技术——直升机/飞机模式转换过程中盘翼的仰角、桨叶的长度、转速以及桨距等参数的变化进行了理论和试验研究,并建立了盘翼/旋翼系统的气动计算模型。计算和试验表明,该方案在直升机/飞机模式相互转化过程中升力、功率和操纵的改变能够实现平滑连续地过渡并保证操稳性。     

带升力风扇飞翼布局飞机机翼开口处二维气动特性研究

带升力风扇飞翼布局飞机不仅可实现垂直/短距起降,还拥有飞翼布局飞机的气动优点。为获得开口对机翼气动特性的影响规律,对平飞状态下机翼开口中心处的纵向剖面进行气动仿真,分析升力系数、阻力系数和力矩系数随来流速度和迎角的改变而变化的特性。结果表明:在迎角一定的情况下,随着来流速度的增大,阻力系数和力矩系数呈上升趋势;来流速度一定时,随迎角加大,升力系数增大,阻力系数先减小后增大;力矩系数随之减小,且一直都产生低头力矩。研究结果对开口位置和形状的进一步优化提供了依据。     

高速列车车顶–升力翼组合体气动特性

高速列车升力翼通过气动增升实现车体等效减重,为高速列车节能降耗提供了新思路。升力翼气动性能直接影响等效减重效果,研究车顶–升力翼组合体在不同工况下的气动特性对列车升力翼设计具有重要意义。采用计算流体力学方法和k–ε模型进行数值仿真研究,分析了车–翼连接杆对升力翼气动特性的影响,研究了升力翼飞高、来流速度、迎角等设计参数对升力翼气动特性的影响规律。研究结果表明：采用NACA0012翼型剖面的车–翼连接杆对升力翼升力和阻力的影响不超过3.7%;在车顶模型前缘引起的高速气流影响下,随着升力翼飞高增大,冲击升力翼的气流速度减小,升力有减小的趋势,在3倍弦长飞高范围内,不同飞高升力翼的升力差值最大不超过3%;当来流速度增大至90 m/s以上时,升力翼的升力系数和阻力系数分别稳定在1.62和0.61附近;在0°～22°迎角范围内,升力翼升力系数不断增大,迎角大于22°后,升力翼升力系数减小。     

基于模型试验的旋翼/机身气动干扰经验算式

试验研究了直升机机身受旋翼气流干扰时的空气动力特性。试验结果证实机身阻力与旋翼前进比和桨盘载荷变化密切相关,机身升力和俯仰力矩的大小与旋翼桨盘载荷关系更大。通过对试验数据的初步分析,确定机身受旋翼尾流影响的气动干扰算式结构,利用最小二乘原理建立了简单有效的直升机机身在旋翼尾流干扰下的气动力算式,该算法可直接用于直升机气动设计和实时仿真模型中。     

鸭翼后掠角对鸭翼展向吹气增升效果的实验研究

利用低速风洞测力、测压以及水洞流动显示实验,对一组由机翼前缘后掠角为50°与不同鸭翼后掠角的三角翼构成的近耦合简化鸭式布局模型,系统研究了鸭翼后掠角在有无鸭翼展向吹气情况下该布局的增升效果及规律性.实验结果表明:在机翼前加装一鸭翼,增大了布局的升力系数和失速迎角,增升量值决定于鸭翼涡和机翼涡在机翼翼面上的干扰情况,说明鸭翼可以作为一种涡控部件.在对鸭翼进行展向吹气时,随着鸭翼后掠角的增大,布局开始出现增升的迎角和升力增量开始减小的迎角均增大,但最大增升百分比在减小.这表明,要在大迎角阶段充分发挥鸭式布局的优势,应选用中等后掠角组合的布局.     

倾转旋翼机小速度前飞的尾迹涡演化及其对平尾的影响

采用基于运动嵌套网格的CFD方法计算了倾转旋翼机直升机状态和过渡状态下的流场,研究了在小速度前飞下的尾迹涡演化和其对平尾气动力的影响。直升机状态下,前飞速度≤4 m/s时,旋翼尾迹主要在机翼附近,与机翼干扰形成喷泉效应,但对平尾无影响。随着前飞速度增大,喷泉效应与自由来流的综合作用形成喷泉涡,喷泉涡产生于机翼上表面,呈流向涡形式向下游输运,从平尾上方通过。前飞速度进一步增大（≥16 m/s）,产生于桨盘边缘的旋翼尾迹侧缘涡开始增强,从平尾侧边通过,并在平尾附近的流动中占据主导地位。喷泉涡和侧缘涡均在平尾处产生上洗流动,使平尾产生低头力矩。从直升机状态到固定翼状态,旋翼尾迹侧缘涡逐渐减弱,对平尾的影响也减弱。     

悬停状态下旋翼旋转噪声的分析

对直升机悬停时旋翼的旋转噪声进行了初步研究，分别用单极子和偶极子声源描述旋翼的厚度噪声和载荷噪声，并根据悬停状态下旋翼气动载荷的特点，用傅立叶级数表示旋翼桨盘上各点的气动力和法向气流速度，然后代入单极子和偶极子声源声辐射公式中，求出旋翼桨盘外某观察点的声压值。最后结合一算例，分析悬停状态下旋翼旋转噪声的辐射特性和不同的展向载荷分布模型对计算结果的响应。     

多涵道无人机设计及悬停性能数值仿真

针对无人机空中自主对接和组合飞行任务需求设计了6涵道螺旋桨无人机气动构型。运用数值模拟对该型无人机进行悬停工况气动特性研究，研究不同悬停转速下整机气动性能的变化，并在涵道环括工况下对螺旋桨进行气动优化。研究结果表明：螺旋桨是悬停升力的主要来源，随着转速变化，涵道升力始终占总升力的17%左右；阻力来自机体上表面和电机支架的迎风阻力，支架的阻力达到涵道螺旋桨总升力的10%；随着桨盘载荷提升，无人机功率载荷降低；涵道的存在影响了螺旋桨的滑流特性，造成桨盘平面轴向速度增加，截面翼型迎角变小，工作效率降低，经过合理调整其扭转角分布螺旋桨效率得到提升，拉力提高3.3%，效率提高2.9%。     

基于CFD/CSD耦合技术的复合材料机翼操纵效率分析

以某无人机大展弦比复合材料机翼为背景,依据计算流体力学(CFD)与计算结构力学(CSD)的弱耦合方法开展副翼操纵效率影响因素研究,其中对带有间隙的流场进行多块处理分割出不同的流场以提高网格质量和实现快速建模。主要研究了不同的副翼偏转角、飞行马赫数和迎角对副翼操纵效率的影响,并分析了不同飞行状态下机翼升力、机翼结构弹性变形与副翼操纵之间的关系。结果表明:副翼操纵效率的改变与机翼结构变形有关,增加机翼的扭转刚度可以减小操纵效率随着飞行状态加剧而下降的幅度。     

直升机低速回避区计算分析

在可实现安全自转着陆的条件下,基于最小化回避区面积的思想分析预测了直升机低速高度——速度曲线。将直升机自转着陆表示成非线性最优控制问题,其状态方程使用发动机失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型。采用直接转换和非线性规划的方法求解非线性最优控制问题。以UH-60直升机为例,计算了考虑1s操纵延迟的单发失效的低速高度-速度曲线,并给出了高悬停点、拐点和低悬停点的最优自转着陆过程,发现这些最优着陆过程与驾驶员的实际操纵程序一致。     

Research on Trim Control of Compound High Speed Helicopter

An investigation is conducted on optimizing the control allocation for trimmed flight on the compound helicopter. The compound helicopter features a single main rotor,a vectored thrust ducted propeller(VTDP)and lifting wings. Due to the redundant controls for thrust,elevator deflection,and differential and symmetric flap deflection,there is a wide range of trim solutions in forward flight for compound helicopter. A method is developed to calculate optimal trim solutions. Firstly,aerodynamics models for deferent subsystems of the compound helicopter are conducted,which consider the mutual interaction of each part. Secondly,a flight dynamics model is developed based on which the method of trim optimization is performed. Finally,the method is demonstrated using a compound helicopter UH?60 L/VTDP. The trim optimization of flight conditions from hover to 370 km/h is conducted using the optimization method. The controls,fuselage attitudes as well as the allocation of lift and thrust along with the flight speed are obtained.     

基于非定常RANS方程的刚性旋翼流场分析

为了掌握刚性直升机旋翼在高速飞行条件下的关键气动特性,本文通过求解三维非定常雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程并基于多块结构化网格有限体积方法(Finite volume method, FVM)对直升机旋翼悬停及前飞状态的复杂绕流流场进行了数值模拟,讨论了动态流动分离、展向流动影响及反流等复杂气动特性的影响。分析了旋翼总距对气动载荷的影响及后行阶段的非定常反流效应,并分别揭示了该旋翼在悬停和大速度前飞状态下显著不同的气动力规律。数值计算表明,悬停状态该旋翼拉力值随总距线性增大,而在大前进比(Advancing ratio, AR)飞行时,其后行侧桨叶根部反流导致截面非常规压力分布,拉力主要由前行侧桨叶提供。数值预测结果与风洞试验结果的比较显示了良好的一致性。     

动力学参数对倾转旋翼机气弹稳定性的影响研究

在建立倾转旋翼机飞机模式和直升机模式下的旋翼/短舱/机翼系统耦合气弹动力学分析模型的基础上,分析了倾转旋翼、机翼动力学参数对倾转旋翼机气弹稳定性的影响,得到了不同动力学参数对前飞时回转颤振速度和悬停时模态阻尼的影响曲线,对于倾转旋翼机动力学设计具有理论指导意义.     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

共轴刚性旋翼复合式高速直升机操纵与载荷研究

针对共轴刚性旋翼复合式高速直升机构型,分析了其操纵特点,提出两种配平操纵方式:切换操纵方式和耦合操纵方式,并分析了两种操纵方式的优缺点。从多操纵面的冗余控制出发,对耦合操纵方式的操纵规律进行了配平分析,并根据配平情况评估了旋翼和尾推桨的载荷结果。研究结果表明,共轴刚性旋翼高速直升机旋翼的总距操纵、周期操纵与飞行速度、机身俯仰角有一定关系,旋翼载荷和常规直升机相比大幅增加,同时和机身俯仰角也密切相关。     

直升机旋翼模型风洞试验述评

为研制新型直升机,必须重视对直升机空气动力学的研究。本文简述了直升机旋翼模型风洞实验的重要性及与固定翼模型风洞实验的区别。根据直升机旋翼空气动力学的特点说明了开展旋翼风洞实验对风洞、模型及实验设备的特殊要求、着重说明直升机旋翼实验台是进行旋翼风洞实验必须的基础设备。同时对国外直升机旋翼模型风洞实验技术的发展状况作了简要介绍。最后回顾了我国直升机旋翼模型风洞实验技术研究方面取得的一些进展及与国外的差距。并对型号研制必须进行的一些风洞实验内容作了介绍。     

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。