前飞状态旋翼变转速过程瞬态载荷过冲研究

变转速旋翼在高速及长航时直升机等领域有巨大的应用前景,旋翼变转速过程的瞬态动力学响应及载荷特性,对直升机飞行控制和部件结构设计都至关重要。本文基于相对坐标描述的拉格朗日递推多体动力学方法,构建了一套旋翼变转速过程瞬态动力学分析模型,能够体现动态时变的旋翼转速和旋转角加速度对动力学响应的影响,在此基础上,对旋翼变转速过程的瞬态动力学行为进行了数值仿真分析研究。结果显示,旋翼变转速过渡过程,对摆振方向动力学影响十分显著,进而会引起旋翼轴扭矩瞬态载荷过冲现象;采用平滑进入/改成的变转速策略,有利于减小旋翼轴扭矩过冲载荷;旋翼升转速和降转速过程,会产生不同的动力学影响;变转速过渡时间是影响瞬态动力学特性最重要的因素,随着角加速度的增大,旋翼轴扭矩载荷过冲会急剧增大;旋翼拉力水平、前飞速度等飞行状态参数,主要影响稳定状态下的载荷基准值,对瞬态载荷过冲幅值也具有一定的影响。

旋翼转速变化对直升机需用功率、配平、振动及噪声的影响分析

建立了适用于变转速旋翼直升机的综合分析模型,该模型可用于综合分析直升机稳态飞行时的旋翼需用功率、全机配平操纵、旋翼桨毂振动水平与旋翼气动噪声。并且使用UH-60A"黑鹰"直升机的飞行试验数据及相关研究结果验证综合分析方法的准确性。在此基础上,分析旋翼转速变化对旋翼需用功率、全机配平操纵、旋翼桨毂振动水平与旋翼气动噪声的影响,从而为转速优化设计提供依据。结果表明,改变旋翼转速会导致上述4个特性同时发生明显变化,而在本文算例中适当地降低旋翼转速可最多降低19.2%的旋翼需用功率与6.7%的旋翼气动噪声,但是却会造成旋翼操纵受限和旋翼桨毂振动增加的不良后果。

高速飞行复合式直升机旋翼受上洗时的驱转特性

为研究高速飞行时复合式直升机旋翼受上洗时的驱转特性,在已有的直升机飞行性能模型基础上建立复合式直升机配平模型。以X3直升机为样例,探讨在旋翼受上洗流作用的驱转状态下升力分配和旋翼变转速对旋翼和直升机飞行性能的影响。研究表明:旋翼受上洗流作用时,从气流中吸收的能量随速度增加而增多,旋翼阻力功率增大。上洗流作用下的桨盘叶素扭矩分布与低速时的不同,产生驱转扭矩的区域明显增加,阻转扭矩较高的区域由后行侧变为前行侧。减小机翼安装角会降低机翼的升力占比,使旋翼阻力功率增加,对旋翼吸收气流能量有利,提升受上洗流作用时旋翼和直升机的性能。速度为400 km/h时,机翼安装角为8°的旋翼阻力功率比安装角为10°时高11.2%,旋翼和直升机升阻比分别增加了35.7%和2.6%。中高速飞行时,过度降低旋翼转速会导致机体抬头,旋翼吸收的气流能量增加。速度大于340 km/h后,机体保持水平,旋翼阻力功率减少,降旋翼转速不利于气流提供能量。然而,高速飞行时复合式直升机旋翼转速降低有利于减少旋翼功率消耗、提升飞行性能。

变转速旋翼气动特性分析及试验研究

直升机旋翼以固定不变的转速工作,仅能使有限状态的旋翼效率达到最优,而通过旋翼转速的变化,可以实现不同飞行状态下的旋翼效率最优。为了研究不同旋翼转速时的旋翼气动特性,首先建立了适合旋翼在低转速飞行情况下的气动特性分析模型,该模型包含了Leishman-Beddoes非定常动态失速模型与适合于低马赫数(Ma<0.3)分析的Sheng失速修正模型;其次,在低速风洞2.5m旋翼模型试验台上试验研究了模型旋翼的悬停效率及前飞需用功率与旋翼转速之间的关系。试验与计算结果的对比表明:所建立的气动分析模型能够准确地计算旋翼在低转速情况下的气动特性;通过优化旋翼转速,增大了桨叶剖面迎角,提高了桨叶剖面的升阻比;并且当旋翼以最优转速旋转时,模型旋翼的悬停效率最大可以提高32%,前飞需用功率最大可以降低22%。

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。

旋翼转速变化对直升机操纵品质影响分析

针对直升机旋翼转速设计问题,对变旋翼转速直升机飞行品质进行了研究。以某变旋翼转速直升机为研究对象,建立了无铰刚性单旋翼直升机飞行动力学模型,并参照ADS-33E-PRF飞行品质规范,计算了样例直升机在悬停以及前飞(30 m/s)时不同旋翼转速状态下的操纵带宽、相位延迟、姿态快捷性和轴间耦合等操纵品质指标,分析得到不同速度下旋翼转速变化对直升机操纵品质的影响。结果表明,旋翼转速降低对滚转与俯仰姿态变化飞行品质有不利影响,对小幅度偏航姿态变化飞行品质没有影响,对中等幅度偏航姿态变化有利,对直升机轴间耦合有不利影响。