【《不同旋翼数量复合式直升机的特点分析》4100字】

不同旋翼数量复合式直升机的特点分析目录TOC\o"1-3"\h\u1539不同旋翼数量复合式直升机的特点分析 120067（1）单旋翼复合式直升机 18252（2）双旋翼复合式直升机 223926（3）多旋翼复合式直升机 3（1）单旋翼复合式直升机一般带有单旋翼尾翼的直升机大速前飞时，由于前进翼处于音速附近，后行桨的失速造成阻力与输出急剧增加，转速很难超过350km/h。为了解决这个问题,M.Buhler和C.Frank以及R.L.Robb加装机翼来提高直升机飞行速度，王焕瑾和孟佳东、葛讯已设计出几种新结构旋翼飞机，如加装尾推螺旋桨、鸭翼等构型，陈铭等通过固定翼飞机与直升机相结合提高飞机前方飞行速度，并介绍欧洲直升机公司双拉伸螺旋桨复合式高速直升机（X3结构，如图1所示）计划。该方案是在一般单旋翼+尾翼直升机上加装机翼，通过两侧各安装一个机翼，螺旋桨推力实现直升机高速前飞。相对于常规直升机布局，采用双张拉复式布置方式增加机翼及螺旋桨装置后，悬架内整机气压干扰发生了很大的改变，机翼及螺旋桨的存在使得旋翼下洗气流受到很大的干扰，而，直升机前飞速度亦不同旋翼航迹对于螺旋桨及机翼的影响程度亦不同，机身表面的压力分布亦会发生改变，旋翼与螺旋桨及机身之间的互相干扰对于直升机飞行性能及飞行品质都会产生极大的影响。现有CFD方法在直升机流场数值模拟中应用较为广泛，其中复合式高速直升机干扰流场CFD模拟方法主要有嵌套网格与动量源2种。曹飞等在结构运动嵌套网格基础上开发出复合式高速直升机旋翼-机身气压特性CFD数值计算方法，可有效模拟不同飞行状态、不同布置方式下复合式直升机流场，但是有网格数量多、计算量较大的缺点，谢冠一在此基础上对旋翼-机身-尾面空气动力干扰特性进行分析，并在计算时考虑旋翼平坦化问题，然而二者只对一般单旋翼有尾翼直升机进行结构展开分析，黄深利用动量源方法，建立同轴刚性旋翼有尾推进螺旋桨复合式高速直升机（X2结构）旋翼/机身/尾部推进干扰流场计算方法，在此方法下以动量源代替旋翼与螺旋桨，并给出出动量源网格的生成方式，对刚性旋翼尾推时产生的空动扰动进行分析，为具有不同动量源方式的复合式高速直升机构型提供参考依据；赵寅宇等用动量源方法研制出一种X3结构悬置和不同前飞行速度下旋翼和螺旋桨相互干扰的X3结构旋翼螺旋桨干扰流场分析方法，但是未考虑到机体对于旋翼/螺旋桨干扰流场的作用。申遂愿与朱清华基于动量源方法构造了以双拉伸螺旋桨组合高速直升机旋翼-螺旋桨-机身干扰特性数值计算分析方法，这种方法充分考虑了机身对整机气压特性的影响，较逼真地模拟出直升机悬停，前飞时旋翼-螺旋桨-机身干扰特性，得到如下结论:1）悬停时机体堵塞气流降低旋翼升力、螺旋桨尾流对旋翼下方气流的冲刷提高旋翼升力。2）前飞时旋翼下洗流发生偏转且前飞速度越大，偏转角度越大，前飞速度大于前飞旋翼下洗流和螺旋桨滑移流偏转速度，旋翼下洗流对螺旋桨滑移流的影响随前飞速度增大而减弱。3）旋翼下冲洗流前飞速度对翼面压力分布的影响较前飞速度显着，旋翼下冲洗流冲击机翼上部，提高了上部压力分布并降低了升力，且这种作用随前飞速度提高而降低。（2）双旋翼复合式直升机进入21世纪以来，由于对直升机高速度和大航程的要求、高升限和其他性能指标提出了紧迫的要求，复合直升机已成为目前国内外直升机研究的热点问题。由于复合直升机配备有辅助升力装置和推进装置（一般为机翼、螺旋桨等），因此在高速下机翼和螺旋桨可以卸下旋翼的载荷，从而大大扩展直升机的飞行包络线，提高飞行性能。然而，增加机翼、螺旋桨等设备，双旋翼的气压干扰有时会对整机的平准化和飞行性能产生不良影响，因此复合直升机研究双旋翼气压干扰引起的飞行性能变化，对复合直升机来说设计更为重要。目前国外对双旋翼气压干扰的研究。Makino等人通过实验研究了悬架中双旋翼的气压干扰。受气压干扰，旋翼的悬挂性能随着旋翼与机翼之间距离的降低而提高，缩小旋翼与机翼的间距，提高机翼的下洗与旋翼的拉力之比。Hamamoto等人用同样的方法讨论了高速飞行中（前进比0.7）机翼位置对双旋翼气压干扰的影响，实验研究证明，旋翼与机翼的间距缩小，机翼升力减小，阻力和扭矩增加。对于涡流方法，Yeo还用涡流方法研究了双旋翼的气压干扰，最后用AH-56型复合直升机的飞行试验数据进行了验证，得到了比较准确的预测结果。Orchard等人用马蹄涡对机翼进行纵向模拟，用横向分布涡格对旋翼进行模拟，计算结果与试验值趋势一致，表明采用涡方法可以对空气动力干扰问题进行快速准确的预报。为了更准确地模拟双旋翼的气压干扰，Sugawara等人采用了“rFlow3D”CFD软件，对增加矩形机翼后的UH-60A直升机流场进行了仿真研究。研究表明，气压干扰使双转子叶片组件等效阻力提高近20%。另一方面，Frey等人用CFD方法对目前比较受欢迎的X3结构复合直升机双旋翼进行了气压干扰研究，双旋翼的气压干扰降低了旋翼前进侧翼下的翼升力，位于旋翼的后侧，旋翼对翼几乎没有作用。然而，上述CFD方法均采用风洞平衡策略，不考虑螺旋桨、平尾等受力及力矩，与复合直升机在实际飞行中的平衡策略不同。在国内，万佳等运用自由航迹法和涡格法，对普通结构型复合直升机双旋翼空动干扰问题，展开初步研究。研究表明，机翼-旋翼的气压干扰对飞行速度影响较大，受气压干扰影响，旋翼和机翼效率下降，但本研究仅以复合式直升机结构为研究对象。赵寅宇、申遂愿等人采用动量源法研究了双螺旋桨推进复合直升机的空力干扰。在悬挂过程中，机体阻塞了气流，减少了旋翼的升力。低速前飞过程中，双旋翼间的空气动力干扰较大，主要表现为旋翼的清洗加剧了机翼上表面的压力分布，但在高速飞行的情况下并不存在，研究了空气动力干扰对飞行性能的影响。杨克龙、韩东等人为研究双旋翼气压干扰对双螺旋桨驱动复合式直升机高速飞行性能的影响，建立了能够快速预报复合式直升机飞行性能的模型，增加机翼，以螺旋桨后AS365N“海豚”直升机为样本对400km/h高速飞行情况进行了分析，对整机飞行性能受双旋翼气压干扰影响的规律和机理的研究，文中讨论了副翼控制调平空气动力干扰引起的机翼转动力矩、整机电力变化特征。研究表明，空气动力干扰提高了机翼诱导速度，导致机翼升力系数减小、阻力系数增加。旋翼的不对称涡系影响较大，处于旋翼前进侧下方的机翼的诱导速度和升阻系数变化比后退侧明显。由于气压干扰，叶片升力分布由80.00%下降到71.59%，旋翼升力分布由20.04%上升到28.48%。旋翼、螺旋桨和整机功率分别提高16.60%、1.86%和3.76%。气压干扰有利于增大机翼的转动力矩，降低旋翼的转动力，使整机平准，提高整机功率。采用副翼操纵，在气压干扰产生机翼转动力矩的情况下进行平衡，旋转机翼侧向周期变化，阻力降低，降低整机功率。（3）多旋翼复合式直升机普通单旋翼有尾翼结构型直升机在前飞过程中，桨左右两部分气压环境不对称，高速前飞过程中，前进桨易受到冲击波阻力作用，后行桨易发生气流分离，其升力受到很大限制。国内外直升机工作者为解决这一重大困难，已经推出了许多非常规结构直升机方案，如倾转旋翼机、复合式高速直升机等，其中，倾转旋翼机在大型直升机上的应用更广泛，代表机型为V-22鱼鹰运输机，以快的飞行速度、具有航程远等优势，但由于其倾覆机构相对复杂，事故率居高不下，复合直升机具有前飞速度快的特点，结构简单等优点受到广泛重视欧洲直升机公司为X-3直升机设计的双拉伸螺旋桨复合高速直升机计划。相对于普通单旋翼尾桨直升机构型，复合式高速直升机在机体两侧加装机翼并在翼端加装螺旋桨，故复合式高速直升机气动力特性明显不同于普通直升机。悬架内旋翼下冲洗流竖直朝下，给处于旋翼下的机翼及螺旋桨造成很大空气动力干扰。同时复合式高速直升机前缘飞行速度增加，旋翼下方冲洗流发生偏移，对于螺旋桨及机翼而言，影响区域发生改变。尤其对于旋翼下冲洗流扰流叶片来说，当旋翼下冲洗流与机翼接触时，不但会破坏机翼周边流场分布还会使机翼表面压力分布发生变化，又因旋翼前进叶片和后行叶片下冲洗强度不同，两侧叶片受力相差很大，横向稳定性也会变差。综上所述，分析研究复合式高速率直升机旋翼两侧冲洗流动对机翼不同强度空气动力的影响具有重要意义。到目前为止，复合型高速直升机在国内外都有很多研究。国外FaustJanArun等以复合直升机非对称升降舵为理念，开展了X-3型复合高速直升机高速飞行状态下仿真及飞行试验相关研究，如OehşrleConstantin等，StanisšawskiJarosš对aw型复合结构直升机旋翼效率进行了研究，而HyeonsooYeo则是为了达到复合直升机设计与空气动力性能的要求。TomStokkermans和其他人选择了复合直升机作为研究目标，对其旋翼旋转至机翼上方时二者相互干扰进行了研究。国内基于动量源方法的赵寅宇等研制出X-3型结构复合式高速直升机旋翼与螺旋桨干扰流场分析的数值仿真方法，申遂愿基于动量源方法数值计算并分析复合式高速回转直升机旋翼-螺旋桨-机身之间的干扰特性该方法对X-3结构复合式高速直升机悬置在不同前方飞行速度下旋翼-螺旋桨-机体之间的相互干扰进行分析，陈铭结合自由航迹算法和涡格法编制了针对复合直升机旋翼-机翼升力系统的空力计算程序，并对旋翼和机翼间有空气动力干扰的情况作了尝试性分析。朱凌军针对复合式直升机在悬停过程中多旋翼之间气压干扰问题进行深入的研究，通过改变机翼参数来检验其影响程度。前面提到的以前人做过很多复合式直升机研究，但是对于旋翼在前飞状态下桨高做过深入研究，机翼伸缩比对于旋翼两侧下洗流不影响机翼气压扰动。近年来计算流体动力学的（ComputationalFluidDynamics,简称CFD）在直升机流场的数值模拟中得到了广泛的应用，主要包括滑移网格、嵌套网格法和动量源法。沈阳航空航天大学王钰凯根据滑移网格模型数值模拟四旋翼无人机悬挂状态气压特征，西安工业大学杨博和其他人基于结构嵌套网格旋翼，我们对机身进行流场数值模拟。这种方法满足滑移网格存在网格数量较多和计算周期较长等缺点。西北工业大学郭佳豪等人研究了非定常动量源法及其在旋翼悬置仿真中的应用，动量源法计算周期短，网格数量少。刘超凡等用复合式高速直升机对清洗流施加在机翼上时旋翼两侧不同强度