基于非定常自由尾迹的直升机轴间耦合响应计算与验证-李攀、陈仁良(12)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于非定常自由尾迹的直升机轴间耦合响应计算与验证李攀陈仁良（南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：直升机机体非定常运动诱导的旋翼尾迹动态畸变将改变桨盘诱导速度分布，对轴间耦合响应有重要影响，增加了准确预测轴间耦合响应的难度。本文建立了非定常自由尾迹/旋翼/机体耦合的配平和动态响应计算方法，以计入尾迹动态畸变和气动干扰对直升机动态响应的影响。计算结果表明，本文建立的计算方法能准确预测俯仰或滚转机动状态孤立旋翼和直升机的异轴响应，基本解决了“异轴响应

2、反号”问题。关键词：直升机；飞行动力学；轴间耦合响应；尾迹；非定常1371引言飞行品质已成为现代直升机的主要设计指标之一[1]。目前，飞行品质评估主要包括三种技术手段：计算分析、飞行仿真和试飞，其中计算分析和飞行仿真的准确度都依赖于飞行动力学模型的置信度。先进的飞行控制系统作为提高直升机飞行品质的主要手段之一，其设计过程也是以飞行动力学模型为前提[2]。因此，建立高置信度的直升机飞行动力学模型是进行飞行品质分析和设计的基础和关键。长久以来，国内外直升机工程界和学术界建立了多种直升机飞行动力学模型[3-11]，不断的提高其置

3、信度。早期的模型已能有效预测直升机中等速度平飞状态的飞行特性，但对低速飞行和机动飞行状态的预测精度较低，尤其是轴间耦合响应预测精度难以达到工程精度要求。例如，对于直升机俯仰或滚转机动时异轴响应的预测，计算结果往往出现与飞行试验结果符号相反的现象，即著名的“异轴响应反号”问题。“异轴响应反号”问题曾长期困扰各国研究者，始终未能找到一个令人信服的物理解释。自90年代中期以来，“异轴响应反号”问题成为了直升机飞行动力学界的研究热点，各国的研究人员对此问题给出了多种物理解释[12-14]，但这些解释或无法令人信服，或只能一定程度上

4、提高异轴响应的预测精度，都未能从根本上阐明其主要的物理成因。具有突破性的认识属于以色列的Rosen和Isser[15-18]，1995年，他们发现旋翼作俯仰或滚转角运动时将引起旋翼尾迹几何形状产生变化，改变旋翼桨盘诱导入流分布，并通过算例说明忽略这一因素是导致“异轴响应反号”现象的主要原因。同时，Keller[17]利用弯曲涡管尾迹模型推导出了悬停状态尾迹弯曲畸变引起的桨盘入流梯度与旋翼俯仰或滚转角速率之间的正比系数，Kr=1.5。随后，Barocela[18]、Krothapalli[19]和Zhao[20]等定义了一个

5、尾迹弯曲参数Kre，即桨盘入流梯度与尾迹弯曲曲率之间的正比系数，并采用简单的、预定形状的尾迹模型分别对Pitt-Peters和Peters-He动态入流模型进行了增广。其中Zhao还基于动态涡管尾迹模型提取出了尾迹弯曲、倾斜和拉伸畸变的时间常数，利用一组一阶微分方程来描述尾迹畸变的动态特性。Barocela、Krothapalli和Zhao等人的研究工作可以说是对动态入流模型进行的尾迹弯曲畸变效应的局部修正。此类方法尽管简单可行，但由于采用了简单的、预定的尾迹模型（如弯曲涡管、涡环等），不能充分体现尾迹的所有畸变形式；同时

6、，过于简单的处理了尾迹畸变与桨盘诱导入流之间的关系（正比关系，Kre），因此其通用性受到了质疑。例如，文献[21-22]中均指出尾迹弯曲参数Kre的取值与飞行状态（前进比、拉力系数、俯仰或滚转角速率等）相关；文献[22]还指出，Kre137还与旋翼的设计参数也相关。在Zhao对UH-60直升机操纵响应的研究中也表明[20]，为了使异轴响应与飞行试验结果吻合，在悬停状态Kre需要取2.0，而在前飞状态需要取1.0。目前，尾迹弯曲参数Kre的取值问题仍未有明确的方法，限制了动态入流模型的通用性[22]。随着计算机速度的不断发展

7、以及旋翼自由尾迹分析方法的不断完善，将自由尾迹模型作为旋翼诱导入流模型应用于直升机飞行特性分析已成为可能。自由尾迹模型允许旋翼尾涡以当地气流速度自由运动，不仅能自动捕捉尾迹自诱导和机体非定常运动诱导的尾迹畸变，给出更真实的桨盘诱导入流分布，而且还能提供空间任意一点的尾迹诱导速度，便于旋翼/机身/尾面的气动干扰力的计算，对于提高飞行动力学模型的准确性有重要意义。国外研究者已成功将旋翼自由尾迹模型集成到了已有的飞行动力学模型中[23-25]，在集成方法、耦合求解以及实时仿真等方面做了一定的研究，初步显示了旋翼自由尾迹模型在提高

8、飞行动力学模型准确性方面的潜力，而国内相关的研究还较为少见。本文主要介绍将一种数值稳定、高效的旋翼非定常自由尾迹模型[26]与直升机飞行动力学模型[27]耦合求解的方法，并对孤立模型旋翼和UH-60A直升机在机动飞行中的异轴响应进行计算与验证，同时探讨旋翼尾迹畸变、气动干扰对于异轴响应预测精度的影响。2