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。

共轴刚性旋翼桨毂阻力特性及流动机理

共轴刚性旋翼直升机在高速飞行时,桨毂流动复杂、分离强、阻力大。为明晰其阻力特性和流动机理,采用CFD方法针对已完成风洞试验的共轴桨毂组合模型进行数值模拟研究,获得了桨毂组合模型各单独部件的阻力、表面流动和空间流场特征,阐明了产生阻力最大的部件和影响阻力的主要因素,揭示了中间轴整流罩和塔座设计参数的减阻机制。分析结果表明:上、下旋翼桨毂是产生阻力的主要部件;中间轴和塔座的分离尾流对桨毂表面流动产生较大的干扰作用,使桨毂整流罩表面受干扰区域产生气流分离;具有较缓和逆压梯度的中间轴整流罩和塔座能有效减小分离尾流对桨毂整流罩的干扰,从而降低整个共轴桨毂系统的阻力。

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力,在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案,之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%,弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。

共轴刚性旋翼桨毂减阻优化设计方法

针对共轴刚性旋翼桨毂阻力全机占比较大的特征,开展桨毂减阻优化设计方法研究。首先分析了共轴刚性旋翼桨毂外形特点,确定减阻整流罩基本型式,建立了减阻整流罩参数化模型。分析了整流罩参数对桨毂阻力的影响,进行参数样本选取。在此基础上建立代理模型,采用优化算法求解代理模型进行参数优化设计,最终建立了适用于共轴刚性旋翼桨毂的减阻优化设计方法。通过计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)计算结果、试验结果以及优化结果对比验证,结果相差小于2%,说明了建立的共轴刚性旋翼桨毂减阻优化设计方法有效、可信。

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。

共轴刚性旋翼桨毂流动控制减阻研究

针对共轴刚性旋翼直升机在高速前飞时桨毂阻力在全机阻力中占比较大的问题,通过数值模拟和风洞试验对不带桨叶的桨毂模型的流动特性进行了研究,并对中间轴整流罩外形进行了优化,获得了较优的减阻效果。同时,根据桨毂优化外形方案和流场分析结果,引入吹气式主动流动控制策略,通过风洞试验研究了不同开缝方式、缝隙尺寸、射流角度和射流动量系数等参数对桨毂减阻效果的影响,验证了吹气式主动流动控制技术在共轴双桨毂减阻方面的可行性。研究结果表明:中间轴整流罩可显著减弱中间轴后部气流分离,可实现共轴刚性旋翼桨毂减阻,且HBF2构型的阻力面积较HBS构型减小了30.3%;旋转状态下桨毂模型带桨根时的阻力面积比不带桨根情况下的阻力面积大;吹气式主动流动控制技术能抑制中间轴整流罩后缘的气流分离,实现减阻功能,且斜线式射流方案的减阻效果优于直线式射流方案;采用斜线射流控制方式,且缝隙为1 mm、射流角度为30°、喷口射流动量系数为0.33时,桨毂阻力可在中间轴整流罩优化外形的基础上再减小13%,减阻效果最佳。