共轴刚性旋翼高速直升机风洞试验研究综述

共轴刚性旋翼高速直升机是下一代直升机发展的重点构型之一,风洞试验是突破其中关键空气动力学技术、推动该构型直升机从原理验证走向型号研制所依赖的重要手段。文中对国内外共轴刚性旋翼试验设施及相关风洞试验进行了介绍,综述了共轴刚性旋翼升力偏置、流场显示与测量、桨毂减阻、推进螺旋桨和机身气动特性等技术领域的试验研究概况及主要成果。结合国内外研究现状,对中国共轴刚性旋翼高速直升机在风洞试验设备建设、研究能力拓展以及试验结果应用等方向的发展提出了思考。

共轴刚性旋翼高速直升机配平及旋翼系统气动特性研究

以类S97构型的高速直升机为研究对象,通过全机平衡方程的建立,开展共轴双旋翼、尾部推进桨的气动特性研究,着重分析了不同前进比下转速变化对拉力/推力、功率的影响,研究其气动环境与常规直升机的差异,并从全机角度出发,进行共轴双旋翼、尾部推进桨的功率占比分析,研究旋翼转速、飞行速度、需用功率之间的内在关系,得到了高速直升机气动特性的基本规律以及影响其气动效率的一些因素。

共轴刚性旋翼高速直升机旋翼操纵策略分析

为研究横向周期变距差动和旋翼控制相位角2种旋翼冗余操纵策略对共轴刚性旋翼高速直升机飞行动力学特性的影响,利用经过验证的XH-59直升机飞行动力学模型,在直升机和复合推进2种飞行模式下,分析了横向周期变距差动和旋翼控制相位角对共轴刚性旋翼高速直升机配平特性;上、下旋翼桨毂最大弯矩以及需用功率的影响。结果表明:随着前飞速度的增加,提高横向周期变距差动和降低旋翼控制相位角会减小直升机模式下的低头姿态,降低直升机和复合推进模式下的配平总距和需用功率。降低横向周期变距差动和提高旋翼控制相位角有利于降低2种模式下的最大桨毂弯矩。随着前飞速度增加,相比于调节横向周期变距差动,改变旋翼控制相位角会明显增加2种模式下配平纵向周期变距,甚至使其超过限幅。同时,采用横向周期变距差动对调节直升机需用功率和桨毂处弯矩的效果更为明显。

共轴刚性旋翼高速直升机配平策略优化设计

最大巡航速度、最大平飞速度是共轴刚性旋翼高速直升机最重要的性能指标之一,其特殊的构型和工作方式导致其旋翼桨毂载荷问题突出。高速飞行俯仰姿态角、平尾安装角、横向周期变距差动、旋翼转速等配平状态和设计参数对需用功率、桨毂载荷、操稳特性等具有显著的非线性交叉耦合影响,在考虑飞行品质相关要求下开展了高速飞行配平策略优化设计方法研究,为获得飞行性能和桨毂载荷综合最优配平策略提供设计手段。基于共轴刚性旋翼高速直升机非线性飞行动力学模型,分析了不同配平策略设计参数对配平特性、稳定性、操纵性等影响规律;在此基础上,将配平策略设计问题描述为数学优化问题;为提高优化计算效率和降低优化失败风险,基于Kriging代理模型开展配平策略优化设计研究。优化结果表明:在最大巡航速度和最大飞行速度下,相比于基准配平策略,在最优功率配平策略下需用功率分别降低5.7%、6.9%;在最优桨毂力矩配平策略下桨毂力矩载荷分别降低55.6%、55.2%;在需用功率、桨毂力矩综合最优策略下需用功率分别降低1.8%、3.1%,桨毂力矩载荷分别降低49.4%、46.2%,验证了提出的配平策略优化设计方法的有效性。

共轴刚性旋翼高速直升机前飞性能操纵策略影响

应用前行桨叶概念的共轴刚性旋翼高速直升机具有较高的最大飞行速度,但共轴刚性旋翼与推力桨的配合带来了操纵冗余问题,本文以提升高速直升机飞行性能为目标,开展了旋翼/推力桨操纵策略影响分析。首先,建立了一套用于共轴刚性旋翼、推力桨与机身气动力预测的高精度计算流体力学(CFD)方法;其次,提出了CFD-代理模型(SM)-遗传算法(GA)结合的共轴刚性旋翼/推力桨冗余操纵鲁棒配平方法。在此基础上,开展了旋翼/推力桨前向拉力分配、旋翼升力偏置量和机身姿态等操纵策略对高速直升机飞行性能的影响分析,获得了能够有效提升高速直升机最大前飞速度、实用升限的操纵策略。结果表明:固定机身俯仰角前飞时,旋翼分配小部分前向拉力可以提升高速直升机最大平飞速度,最大可提升10.78%;在海平面飞行时,旋翼升力偏置量为0.3,直升机具有最大前飞速度,升力偏置量为0.2,直升机实用升限最大;机身俯仰角为-1°时,高速直升具有最大前飞速度和实用升限,俯仰角过大或过小都会降低前飞性能。

共轴刚性旋翼构型高速直升机发展研究

共轴刚性旋翼带推力桨构型在保留常规直升机优异近地面机动能力的基础上,可实现速度与航程提升一倍,是下一代军用直升机的主要构型。本文从直升机构型发展需求出发,系统梳理了共轴刚性旋翼的概念原理、技术攻关和型号预发展过程,并以美军未来高速直升机型号发展和直升机技术发展趋势,提炼并概括了以高速直升机装备为代表的下一代军用直升机的典型技术特征,对高速直升机的发展提出一些建议。

共轴刚性旋翼直升机桨毂阻力特性试验

共轴刚性旋翼直升机在突破常规直升机前飞速度极限的同时会产生巨大的桨毂阻力。为研究共轴刚性旋翼直升机桨毂的阻力特性,采用天平测力的方式在1.4m×1.4m直流风洞中对不同的共轴双桨毂组合模型进行了风洞试验。试验状态变量包括桨毂转速、模型各部件间缝隙和不同整流模型组合。试验结果表明:共轴双桨毂试验模型的阻力受对称光滑桨毂旋转运动的影响基本可忽略;各整流部件间缝隙对模型所受阻力影响较大,大缝隙会使试验模型阻力增大;各整流部件分离尾流存在较大的气动干扰,使模型所受阻力明显增加。

高速直升机共轴刚性旋翼悬停气动特性的参数影响研究

共轴刚性旋翼是未来高速直升机的重要发展方向,开展气动特性参数影响研究具有重要的实际指导意义。基于计算流体力学(CFD)技术,本文建立了一个计入配平分析的共轴刚性旋翼气动特性计算方法。在该方法中,采用NavierStokes方程为控制方程,使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散,选取隐式LU-SGS格式进行时间推进,湍流模型则为Spalart-Allmaras(S-A)模型,上下旋翼间的流场信息交换采用运动嵌套网格方法实现;通过Newton-Rhapson迭代方法求解旋翼操纵增量,可实现共轴刚性旋翼的有效配平。然后,应用所建立的方法,开展了共轴刚性旋翼悬停状态下的气动性能计算,着重分析了上下旋翼间距尤其是桨叶气动外形参数对共轴刚性旋翼气动特性的影响。结果表明,负扭转可以提高共轴刚性旋翼悬停效率,但与负扭转分布相比,采用正扭转分布,会降低共轴刚性旋翼悬停效率。

共轴旋翼高速直升机雷达散射截面计算及雷达吸波材料影响分析

为准确高效地预估共轴旋翼高速直升机的雷达散射特性,结合雷达吸波材料(Radar absorbing material,RAM)在隐身设计中的应用,开展了共轴旋翼高速直升机雷达散射截面(Radar cross section,RCS)特性及涂覆型RAM对其影响的研究。首先,基于计算涂覆目标表面散射的物理光学法(Physical optics,PO)和计算涂覆边缘绕射的等效电磁流法(Method of equivalent current,MEC),建立了计算RCS的高频方法,并通过涂覆了RAM的金属球和直升机矩形桨叶算例验证了其有效性。在此基础上,研究双旋翼、尾部螺旋桨、平垂尾和机身在鼻锥、侧向和尾追3个典型方位的雷达散射特性和强散射源分布,并采用局部涂覆RAM的方法进行隐身设计。研究表明:尾部螺旋桨、共轴旋翼桨毂及其整流罩部位、机身上曲率较大的鼻锥和尾部以及曲率较小的侧面护板是机身的重要强散射部位。在强散射部位涂覆RAM能有效降低高速直升机各方位双站RCS的均峰值,显著提升高速直升机隐身性能的效果。

共轴双旋翼高速直升机主减轮系功率流向分析

研究了一种共轴式反转的高速直升机主减轮系方案,为设计者提供了一种快速判断轮系功率流向的方法。首先,将轮系单元分析法引入共轴双旋翼高速直升机主减轮系的分析,并完成直升机主减轮系的数学建模。然后,总结出共轴双旋翼高速直升机主减轮系方案所有可能的功率流向类型。最后,研究了共轴双旋翼高速直升机主减轮系的功率流向类型及其不同的飞行状态(前飞、改变航向等)对主减轮系效率的影响。

共轴双旋翼高速直升机主减轮系效率分析

针对共轴双旋翼高速直升机主减的单输入双输出轮系方案,研究了轮系方案的传动效率与内外旋翼轴负载比值之间的关系,并推导出二者之间的关系式,便于设计者评估轮系方案的传动效率能否满足主减的总体设计要求,提出轮系方案的改进措施。

共轴刚性旋翼直升机着舰飞行特性

建立一套能够耦合非定常舰船流场的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以研究该旋翼飞行器在着舰过程中的飞行特性。在舰艉流场模拟方面,采用分离涡方法以获得高精度非定常流场数据;在飞行力学建模方面,引入上下旋翼干扰因子建立共轴刚性旋翼诱导速度模型,并采用等效挥舞运动概念建立其挥舞运动方程;基于“单向耦合”思想构建了计算流体动力学(CFD)向飞行力学模型的数据传递策略,并分别以XH-59A直升机和UH-60A/SFS2组合为算例验证了飞行动力学模型和数据传递策略的正确性。以SFS2舰船模型和XH-59A共轴刚性旋翼直升机组合为研究对象,从直升机操纵余量和非定常载荷水平两方面分析了着舰过程中舰艉流场对共轴刚性旋翼直升机的扰动特征。时均研究结果显示:由于共轴上下旋翼受时均流场的扰动存在差异,飞行员在增大总距以维持高度稳定的同时,还需要减小差动总距以保持机头朝向的稳定。非定常水平研究结果表明:对于共轴构型直升机,舰船流场对拉力及俯仰力矩的非定常扰动,是引起飞行员工作载荷增大的主要因素。

一种共轴双旋翼-固定翼高速直升机设计

传统直升飞机飞行速度较慢、载重小。高速直升机的出现提升了直升机的飞行速度,但是现有的高速直升机设计仍存在附加重量大、操控困难等问题。本文基于对现有几种高速直升机的分析研究,探讨设计了一种共轴可扭转双旋翼高速直升机。并通过CFD仿真计算,验证了共轴可扭转双旋翼在平飞状态可以获得足够的升力,和该方案在空气动力学方面可行。

共轴刚性旋翼振动载荷影响分析

针对共轴刚性旋翼建立了气动弹性分析模型,开展旋翼载荷影响分析。气动弹性分析模型中采用几何精确桨叶结构动力学模型和旋翼自由尾迹模型,并结合松耦合方法计算共轴刚性旋翼载荷。通过XH-59A和X2悬停及前飞试验状态,验证了理论模型。分析了旋翼桨叶片数、交叠方位角、轴前倾角等结构参数和飞行状态参数对共轴刚性旋翼振动载荷的影响。结果表明:同等实度下旋翼桨叶片数增加,振动载荷降低;奇偶片桨叶交叠角相对机身的分布,显著影响横向和纵向振动载荷水平;相同升力和升力偏置(LOS)下轴前倾角增加,振动载荷增加。

共轴刚性旋翼悬停及高速前飞状态气动干扰特性研究

文章建立了一种基于N-S方程的共轴刚性旋翼流场数值模拟方法。通过对比不同前行桨尖马赫数旋翼的实验结果,验证了该方法的准确性和模拟ABC旋翼的适用性。运用商业软件ANSYS ICEM划分非结构化网格,采用了滑移网格和动网格技术,在FLUENT求解器中使用UDF程序实现了桨叶周期变距运动,对在悬停及大速度前飞状态下的XH-59A旋翼流场进行了数值模拟计算。计算结果表明:XH-59A旋翼在悬停状态上旋翼对下旋翼的气动干扰比较大,但随着前飞速度的增加,干扰逐渐减小;上下旋翼间的气动干扰随总距的增加呈先增大后减小的趋势。

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。

高速直升机前行桨叶概念旋翼技术

高速直升机通过构型的革新,可以在保留直升机使用特点的基础上提高飞行速度,是直升机未来的重要发展方向之一。本文对国外相继出现的各种构型的高速旋翼飞行器进行了简要回顾,介绍了采用前行桨叶概念旋翼构型的高速直升机,对前行桨叶概念旋翼的气动、动力学和操纵特性做了分析研究,并梳理了相关的在研关键技术。

共轴刚性旋翼飞行器配平特性及验证

针对共轴刚性旋翼与常规旋翼的区别,从挥舞运动、变距操纵和诱导速度3方面建立共轴刚性旋翼的气动力模型。采用等效挥舞运动概念,建立共轴刚性旋翼的挥舞运动方程;引入提前操纵角概念,建立与共轴刚性旋翼挥舞频率相适应的变距操纵模型;引入上下旋翼干扰因子,建立共轴刚性旋翼的诱导速度模型。在此基础上,建立共轴刚性旋翼飞行器飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为例计算纯直升机飞行模式的配平特性,使用飞行试验数据验证了理论模型的正确性,同时讨论了共轴刚性旋翼飞行器与常规直升机配平特性的异同点。

共轴刚性旋翼试验自动配平技术研究

针对共轴刚性旋翼高速直升机研究的需求,对共轴刚性旋翼试验自动配平技术展开了研究。基于现有试验平台,结合共轴刚性旋翼的配平原理,参考单旋翼自动配平技术,提出了基于模糊控制的共轴刚性旋翼试验自动配平技术,并在试验中进行了考核和验证,达到了实用阶段。

桨叶外形对共轴刚性旋翼悬停性能影响的CFD分析

桨叶外形是影响共轴刚性双旋翼直升机悬停性能的主要因素之一,研究其影响机理对提高共轴刚性旋翼的悬停性能具有重要意义。为了提高外形参数对旋翼气动特性影响的分析精度,首先,基于运动嵌套网格技术和可压RANS方程,建立了一套适用于共轴刚性双旋翼悬停流场模拟的CFD方法;然后,进行了悬停状态共轴旋翼流场气动特性的计算分析,得到上、下旋翼拉力和扭矩沿桨叶展向和周向的分布特征;最后,着重进行了桨叶平面外形参数对共轴刚性旋翼悬停性能影响的分析,包括后掠角、后掠起始位置及尖削非线性弦长分布等,得到不同参数下共轴刚性旋翼悬停效率和压强分布等特征。结果表明,桨尖后掠能够使负压中心外移,延缓气流分离,从而提高悬停效率;尖削及桨叶面积集中在中部段的非线性弦长分布能够有效对桨尖进行卸载,优化气动载荷分布,从而改善悬停性能。