共轴式直升机双旋翼载荷计算模型研究.pdf
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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷第期年月航空动 力学报文章编号一一一共轴式直升机双旋翼载荷计算模型研究周 国仪,胡继忠,曹义华,王晋军北京航空航天大学飞行器设计与应用力学 系,北京摘要理论计算和实验测量表明,共轴式直升机在悬停、前飞状态下,上下旋翼桨盘处轴向诱导速度分布与单旋翼直升机 的相类似,本文根据共轴式直升机双旋翼这一特点,引人气动力相互干扰因子,将单旋翼直升机一阶谐波形式 的一静态非均匀人流模型推广到共轴式直升机,建立 了一种共轴双旋翼载荷
2、计算模型,为共轴式直升机飞行动力学建模作前期准备。以某共轴双旋翼为研究对象进行载荷计算,并与国外计算结果进行了对比,两者吻合较好。关键词航空、航天推进系统直升机共轴式直升机共轴双旋翼旋翼空气动力学中图分类号文献标识码一,一,一,一,一,引言共轴式直 升机在飞行 过 程 中,上旋翼尾迹会对下旋翼产生影 响,而下旋翼尾 迹 也会对上旋翼产生影响,即上下旋翼 之 间存在着气 动力 相互干扰现象。由于这种相互干扰,使共轴双旋翼气动特性分析 包括流场分析和载荷计算更加复杂和困难。收稿日期一一修订日期一一作者简介周国仪一,男,江西景德镇人,北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系博士 生,主要从事直升机飞行
3、及控制研究 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/航空动力学报第卷俄罗斯一直致力 于共轴双旋翼气动特性的研究,主要 是应 用 涡 流理论对上 下旋翼之间 的相互诱导 系数进行估算进而计算旋翼载荷,并进行了大量 的风洞和试飞实验,给出 了旋翼尾迹结构。欧美等西方国家也开展了一些研究工作,但与单旋翼比较起来不够系统。进行了悬停状态 的理论和实验研究,用 的是叶素理论和预定涡模型图。计算分析了悬停和前飞时的旋翼性能,用 的是局部动量理论和预定涡模型,并对尾迹结构进行
4、了测量阁。把上下旋翼当成两个单旋翼分别 来处理,最后 用经验系数对理论计算进行修正闭。将自由涡模型推广到双旋翼系统,给 出了涡系相互作用及尾迹崎变 的情况,但计算的尾迹结构与实验结果有一定差异阁。文献 应 用 涡 流理论模型、方法对共轴双旋翼 的气 动干扰特性、流场结构、性能等问题进行了研究,并测量了共轴 双旋翼流场速度分布。本文根 据共轴 双旋翼 的 流场 结 构 分 析 结果,从工程应用 出发,引人气 动 力 相互干扰因子来描述上 下旋翼之间 的气 动干扰,将单旋翼的一静态非 均 匀人流模型 推广 到共轴双旋翼,这样可以避 开采用 涡流理论模型或方法获 得旋翼 桨盘轴向诱导 速度可 能带来
5、的复杂计算。在此基础上,应用 叶素理论,建立 了一种简单、实用的共轴双旋翼载 荷计算模型,目的是为共轴式直升机飞行动力学建模研究作准备。式 中 召,和 月,夕分别是下 上旋翼的桨叶挥舞角 和 变距 角,。,工,和,分别 是下上旋翼桨叶挥舞锥度角、纵 向、横 向挥舞一 阶谐波系数是上 下旋翼共有 的总距是 下旋翼 的差动变距和分别是横向、纵向周 期 变距,上下旋翼的横向周期变距相 差一个 负号,这是 由上下旋翼运动特性决定的,上下旋翼桨 叶方 位角统一用必表示,疏是桨叶线性扭转率,是旋翼桨叶的半径站位。文献应用激 光测速仪测 量了悬停状态 下共轴 双旋翼 流场及上 下旋 翼 桨盘处三 维 速度
6、分布、滑流 的收缩及桨尖涡结构等,并建立 了自由尾迹 的涡系模型。文献采用方法求解了带动量源项 的三维 不 可压一方 程,对悬停、前飞状态 的共轴 双旋翼 流场结 构、上下旋 翼桨盘处诱导速度及分布、旋翼性能进行了数值模拟。这些理论计算和实验研究表明,共轴式 直升机在悬停、前飞状态下,上 下旋翼 桨盘处轴 向诱导 速度分布 与单旋翼直升机 的相类似,根据这一特性,本文将单旋翼一 阶谐波形式的一静态非均匀人流模型推广 到共轴双旋翼,建立一种共轴双旋翼静态非均匀人流模型、,尹自、卫卫刀下十几犬,会。必丈、占共轴双旋翼载荷计算模型基本假设对上下旋翼作以下基本假设桨叶采用线性扭转,桨叶质量沿展 向均匀
7、分布,且运动过程是 刚性的桨叶挥舞角 和人流角均为小量,桨叶翼型气动力采 用 准定 常线性假设不 考 虑桨尖损失和反 流区,并 忽略压 缩性 和 失速 效 应不 计桨叶 的摆振运 动旋翼 力 和 力矩是周期平均值,不考虑其周期效应。共轴双旋翼 非均 匀入流模型下、上旋翼桨叶挥舞角和变距角 的一 阶谐波形式为夕,一必一,必犬会。沪诬、一氏贡一沪一沪月一沪一必夕。,贡疏一一式必一沪式中,和认分别是下、上旋翼 桨 盘平 面任意 一点的轴向诱导速度,和是下、上旋翼尾迹倾角 的经验函数,和分别 是下、上旋翼桨盘处本身固有 的平均诱导速度,由动量理论给 出,占讥是上旋翼滑 流在下旋翼桨盘处 的诱导速度,作
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