C.A.RDC的直升机气动力试验研究新进展

中国空气动力研究与发展中心(CARDC)自1990年建成12 m×16 m/8 m×6 m低速风洞直升机旋翼模型试验台以来,在8 m×6 m风洞进行了多种直升机旋翼模型试验;2001年,首次在12 m×16 m试验段进行了旋翼及旋翼/机身组合模型试验,为新型直升机的研制做出了贡献.2003年以来,通过开展某工程配套技术改造项目,建成了2 m旋翼模型试验台、尾桨及旋翼/机身组合模型试验台;配套研制了高性能的数据采集和监视报警系统;配备了频闪仪、动态信号记录仪等专用设备,大大提高了CARDC的直升机气动力试验能力."十五"期间,还开展了直升机试验技术和试验数据精准度研究、直升机试验数据相关性研究,掌握了先进的旋翼前飞配平试验技术、悬停地面效应试验技术,初步建立了旋翼模型风洞试验数据的洞壁干扰修正方法、悬停试验数据的Re数影响修正方法,进一步提高了CARDC的直升机风洞试验技术水平.目前,CARDC具备了系统研究直升机模型气动力的试验能力,可以为新型直升机的研究和发展提供技术支持.     

旋翼诱发砂尘环境及其对直升机的危害

 用直升机模型进行试验研究,制造了“直升机”在地面附近不同高度悬停及不同桨盘载荷下诱发砂尘环境,考察了旋翼诱发砂尘对直升机的实际危害,测定了某些指定部位的砂尘浓度与作用力及砂尘粒度分布情况。理论分析,计算了机身周围旋翼诱导流场,并经实验检验了直升机旋翼诱发砂尘浓度、粒度分布规律及作用力的近似估算方法。     

直升机旋翼动力学国防科技重点实验室

直升机旋翼动力学国防科技重点实验室是1993年建立的国家级重点实验室,依托单位是南京航空航天大学和中航工业直升机所。该实验室实行校所联合运行,主要承担国防科技与型号发展和未来武器装备研制所需的直升机旋翼基础理论、应用基础和关键技术研究任务。     

直升机的非线性模型及配平

论述和实现了定常平飞时,单旋翼涵道尾桨直升机的非线性全量飞行动力学数值模型,建立模型时,考虑了直升机各部件特别是旋翼的动力学模型,考虑了诱导速度分布的非均匀性,以一具有水平铰外伸量及约束弹簧的铰接式旋翼等效算例直升机的真实旋翼。研究了直升机在平飞时的配平,提出了一种求解直升机平飞初值问题的数值方法-最速下降法。以某直升机为算例,建模并配平,结果表明,该模型符合直升机运动规律。     

基于WENO-分段线性格式的直升机流场数值模拟

发展了一套适合于格心格式求解器的基于加权本质无振荡(WENO)-分段线性格式的旋翼/机身气动干扰高精度CFD计算方法。应用该方法对多种旋翼/机身组合模型前飞算例进行了数值模拟,计算得到的机身表面压力系数分布与实验结果吻合良好,说明了该方法对旋翼/机身气动干扰研究的有效性。之后进一步将该方法应用到悬停状态的X3构型复合式高速直升机旋翼/机翼/螺旋桨组合模型的复杂流场模拟中,并与悬停状态孤立旋翼和旋翼/机翼组合模型的流场进行了对比。研究发现:机翼对旋翼下洗流起阻滞作用,引起机翼下方不规则流动,且螺旋桨滑流与旋翼下洗流会相互干扰产生一定的偏折,旋翼下洗流速度更大,螺旋桨滑流会产生明显的向下偏折。      

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。     

共轴刚性旋翼直升机与单旋翼直升机操稳特性对比研究

为研究共轴刚性旋翼直升机与传统单旋翼直升机飞行动力学特性的差异,分别针对两种构型的直升机建立了飞行动力学模型。根据全机平衡方程进行了不同飞行速度下两种构型直升机的配平特性验证计算;依据“小扰动”假设建立了线化运动方程组,对悬停及前飞状态下的样例直升机进行了操稳特性的对比计算与分析。结果表明:两种构型样例直升机在操稳特性总体表现较为相似。在稳定性表现上,单旋翼构型直升机的非周期模态、螺旋模态及前飞时的操纵性能均优于共轴刚性旋翼构型直升机;不同于单旋翼构型,悬停及前飞状态下共轴刚性旋翼直升机的滚转与偏航操纵性能均变差。     

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。     

直升机飞行动力学数学建模问题

直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础,也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统,在直升机飞行动力学建模过程中,必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性特性,给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式,是对不同假设、子模型进行分析和综合的一个复杂的过程。鉴于此,简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状,着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼/发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后,针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。     

Ф2米直升机试验台旋翼天平研制与应用

为实现小尺寸直升机旋翼模型在风洞内进行测力试验研究,并得到可靠的数据,研制了用于Ф2米直升机旋翼模型试验台进行测力试验的旋翼天平,本文详细介绍了该天平结构特点与研制计算,并给出了静校结果和几次悬停、前飞试验的测量结果。     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的"涡-涡干扰",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

共轴式直升机舰面起降风限图计算

通过建立共轴双旋翼直升机的舰面起降飞行动力学模型,计算了某型共轴双旋翼直升机在某型舰上的起降特性。根据相关判据,得出该机舰组合的起降风限图。起降风限图为该直升机在舰上的安全起降提供了指导,有重要的实际意义。     

共轴式直升机全差动航向操纵的动态响应分析

运用经典的垂直飞行涡流理论及共轴双旋翼全差动操纵的结构特征，推导了共轴式双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程。根据有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据，得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式。某型共轴双旋翼直升机计算实例，所得结果与该型直升机飞行特性一致。     

直升机机动飞行仿真的气动建模及试验研究

 建立了适用于直升机机动飞行仿真的动力学模型。为了提高模型的真实度,着重通过瞬态操纵实验研究建立了旋翼非定常气动模型;又通过旋翼/ 机身气动干扰试验研究,并运用神经网络技术建立了一种新的机身气动力模型。使用该仿真模型做出的UH260A 直升机仿真计算结果与飞行试验数据符合良好。     

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。     

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。     

应用CFD方法的舰载直升机舰面气弹响应计算与分析

舰载直升机所处的环境恶劣,易出现旋翼桨尖过度挥舞及机身碰撞等事故,研究直升机舰面气弹响应可预防此类事故的出现。应用 CFD 方法获得舰船流场数据,结合桨叶动力学模型,综合提出旋翼气弹响应计算分析方法,研究不同来流速度、悬停位置与风向角下旋翼的气弹响应。结果表明：本文提出的气弹响应计算分析方法正确可行;舰船来流速度的增加...     

舰面流场下的直升机平衡特性分析

主要分析了舰载直升机在母舰甲板上方悬停时的平衡特性。采用CFD方法计算了母舰甲板上方的气流场,建立了适用于舰载环境的直升机飞行动力学模型,计算了UH-60A直升机在流场悬停位置处的配平值。在此基础上,计算了旋翼入流、载荷、功率以及机体姿态状态量的响应。仿真结果表明,舰面流场的非线性、不均匀等特点对计算值影响较大。通过与无离散模型计算结果的对比,表明了流场对直升机旋翼的垂向载荷影响较大,对机体姿态角速率的影响更为显著,破坏了直升机的平衡,对直升机在舰面流场环境下的飞行控制系统提出了更高的要求。     

直升机旋翼与舰船复合流场试验方法研究

直升机旋翼诱导流与舰船空气尾流叠加后形成复合流场,对直升机舰上起降时的操纵响应及飞行安全有很大的影响。介绍了复合流场的风洞试验方法,包括试验的基本原则、旋翼及舰船模型的设计方法和参数、模型的安装方案及试验状态,并给出了部分试验结果及其分析。结果表明,旋翼诱导速度改变了舰船尾流分布,打开机库门可减弱旋翼的影响。     

共轴式直升机双旋翼载荷计算模型研究

理论计算和实验测量表明,共轴式直升机在悬停、前飞状态下,上下旋翼桨盘处轴向诱导速度分布与单旋翼直升机的相类似,本文根据共轴式直升机双旋翼这一特点,引入气动力相互干扰因子,将单旋翼直升机一阶谐波形式的Pitt-Peters静态非均匀入流模型推广到共轴式直升机,建立了一种共轴双旋翼载荷计算模型,为共轴式直升机飞行动力学建模作前期准备。以某共轴双旋翼为研究对象进行载荷计算,并与国外计算结果进行了对比,两者吻合较好。