直升机变旋翼转速技术研究现状

直升机具有垂直起降、悬停和低空机动飞行的独特优势,在军用和民用航空领域发挥着重要作用,然而低速、高油耗、短续航和高噪声等不足制约了其应用市场拓展。根据飞行工况变化动态调整旋翼转速的变旋翼转速技术能较大程度上克服上述不足,提升直升机的综合性能,因而成为当前直升机领域重要的研究课题。目前,在变旋翼转速对直升机具体性能的影响、变旋翼转速的优化与控制、因使用变旋翼转速技术衍生的控制和变旋翼转速的实现等问题的研究仍面临着诸多挑战。基于此,文中综合了国内外变旋翼转速技术的研究成果,着重从变旋翼转速对直升机性能的影响、变旋翼转速的优化与控制、变旋翼转速技术的实现3个方面阐述了变旋翼转速技术的研究发展现状,并对其进行归纳和展望,旨在为高性能直升机变旋翼转速技术的发展提供有价值的参考。

一种变旋翼转速直升机噪声适航合格审定等效试验方法

《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(CCAR-36)对民用直升机噪声适航合格审定的基准试验条件、试验和测量条件、测试设备、噪声的评定和计算等方面做出了明确规定。为取得民用直升机的型号合格证,申请人必须按照规章的相关要求开展噪声合格审定试验,获取直升机的外部噪声水平,向适航当局表明符合规章的相关要求。目前,由于扭振、发动机、传动等方面的限制,绝大部分的直升机都以固定的旋翼转速工作。但是,固定的旋翼转速只能在特定的飞行状态(重量、高度和速度)下获得最优效能状态,不能适应飞行状态(重量、高度和速度)的变化。随着材料、发动机、传动和控制系统的发展,变旋翼转速技术现在已经可以实现。

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题,分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系,旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数,用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验,仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化,可以降低油耗1.5%～5.5%,同时降低涡轮温度4.4～16℃,具有实际应用价值.

基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究

为了扩大直升机变旋翼转速变化范围,开展了基于无级变速机构的直升机/传动系统/发动机连续变旋翼转速控制模拟方法研究。基于叶素法和容积动力学方法,建立了主旋翼/发动机综合数学模型用于直升机推进系统仿真,该模型由主旋翼简化模型和涡轴发动机部件级模型组成。在主旋翼/发动机综合模型的基础上,加入了基于能量法建立的无级变速传动装置动力学模型,通过变传动比实现变旋翼转速控制模拟,通过定常来流状态下的数字仿真,分析变旋翼转速控制过程对主旋翼和发动机状态的影响。结果表明,提出的变旋翼转速控制模拟方法在保证涡轴发动机动力涡轮转速变化小于1.5%的前提下使旋翼转速连续变化25%,建立的直升机/传动系统/发动机综合模型为变旋翼转速技术的设计与验证提供了较可靠的数字仿真平台。

基于直升机/发动机综合模型的变旋翼转速控制研究

为了实现直升机旋翼转速在宽广范围内连续变化且涡轴发动机连续提供输出轴功率,采用1种扭矩序列转移控制方案来实现该传动链。通过2台涡轴发动机和2台多级变速器与旋翼协调工作,发动机依次连接或脱开旋翼,提供旋翼转速大范围内变化,并提供旋翼连续变化的功率。在扭矩转移过程中,针对发动机扭矩强扰动问题设计了鲁棒LMI控制器+ADRC扭矩前馈补偿控制器,最后基于直升机/发动机综合模型进行数值仿真,验证了扭矩转移方案的可行性。仿真结果表明:在转移过程中的扭矩强扰动对发动机动力涡轮转速的影响较小,旋翼转速可以实现较大范围内的快速平滑变化。

一种变旋翼转速直升机/涡轴发动机非线性模型预测控制方法研究

为了实现变旋翼转速直升机/涡轴发动机快速响应控制,提出了一种基于神经网络的直升机旋翼预测模型与基于状态变量模型的涡轴发动机预测模型的新型非线性模型预测控制方法。所建目标函数除了包含转速控制指标外,还考虑了经两级变速双离合器传动机构传扭后发动机输出轴的转子动力学特性。不同飞行任务下的数值仿真结果表明:相对于PID控制器而言,非线性模型预测控制器可在满足压气机转速、发动机静强度等限制条件下使动力涡轮转速在变旋翼转速过程中的超调量减小50%,下垂量降至0.2%以内,实现了涡轴发动机的快速响应控制的同时,有利于改善发动机使用寿命。

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型飞行任务下的仿真结果表明:相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。

基于混合优化算法的直升机旋翼转速优化控制

为了实现直升机巡航飞行时最经济运行,基于某型常规布局直升机,建立巡航阶段需用功率目标函数,以飞行稳定性与操纵安全性指标作为约束条件,利用遗传序列二次规划(GASQP)混合优化算法,对直升机巡航阶段实现最低需用功率的最优旋翼转速进行优化求解。实验结果表明,该方法得到的最优旋翼转速能够有效降低整机需用功率,优化算法得出的最优转速曲线对巡航状态下旋翼转速的变化方向具有一定参考意义。