04-共轴双旋翼自转气动特性风洞试验方案及模型设计研究

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1、第二十六届（2010）全国直升机年会论文共轴双旋翼自转气动特性风洞试验方案及模型设计研究姬乐强，朱清华，李建波（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京210016）摘要：双旋翼自转性能是共轴式直升机安全性设计的重要指标，为从理论和试验两个方面对共轴双旋翼直升机自转状态进行分析研究，本文开展了共轴双旋翼自转气动特性风洞试验研究及其模型设计。通过研究分析双旋翼自转气动特性风洞试验的特点和要求，设计了一套可确定旋翼总距、后倒角、风速以及上、下旋翼的间距等参数对自转状态的影响并能获得两副旋翼之间气动干扰特性的合理可行的试验方案，通过理论分析计算，设计完

2、成了满足试验方案要求的试验模型，并通过有限元计算校核，该模型切实有效。关键词：共轴式双旋翼；自转；试验方案；试验模型；风洞试验1引言自转着陆是旋翼类飞行器所特有的降落方式，它能保证旋翼飞行器飞行中发动机或传动系统失效时仍能安全着陆，能提高其安全性和生存力，是旋翼类飞行器设计当中的一个重要内容和性能指标。目前，共轴式直升机应用已经十分广泛,当直升机因意外导致旋翼驱转动力失效时，共轴式直升机应该具有自转飞行和自转着陆的能力。然而，关于共轴式双旋翼自转状态的气动特性研究，特别是自转的两副旋翼之间的相互气动干扰问题的研究在国内外的相关文献中未见报道。这就需要从理

3、论和试验两个方面对共轴式直升机自转状态的气动特性进行深入的研究。为了探知共轴双旋翼直升机自转状态时的气动特性，需进行共轴双旋翼自转气动特性风洞试验。本文针对共轴式自转双旋翼的试验要求，对试验方案及试验模型进行了设计研究，最终，明确了设计参数，设计了有效的试验模型，以及提出了切实可行的试验方案，本课题将有利于共轴式双旋翼飞行器的安全性设计。2试验方案设计2.1设计要求本试验主要利用南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室风洞，以及风洞试验室已具备的试验条件，进行共轴双旋翼自转气动特性风洞吹风试验。试验的目的是测试共轴双旋翼在自转状态下不同参数时的气

4、动力、力矩和转速。因此，要求影响共轴双旋翼自转气动特性的主要操纵或结构参数可变。由于旋翼产生的力和力矩以及旋翼稳定转速会随着总距角、桨盘后倒角、来流速度（风洞试验中表现为风速）和上、下旋翼的间距变化而变化，故可变参数包括总距、桨盘后倒角、来流速度、上、下旋翼的间距。共轴双旋翼自转试验要求能获得上、下旋翼之间的气动干扰，这就要求试验既要获得两副旋翼的合力、合力矩与各自转速，又要获得存在干扰时的每副旋翼的力、力矩与转速，还要获得孤立旋翼的力、力矩与转速。2.2试验方案该试验所依托的实验室拥有回流式开口风洞和旋翼试验台，并具备先进的测力和测速设备。其中包括净高

5、3.1m，可以俯仰偏转±10°的旋翼试验台。40kg、70kg、200kg级的六分量机械-应变天平（本试验选用40kg级天平）以及数据采集与处理系统。本文的试验模型应包括：可测量两副旋翼的合力与合力矩的试验模型（称之为“模型一”）、测量单副旋翼力和力矩的试验模型（另外一副旋翼同时自转，称之为“模型二”）及孤立旋翼（仅有一副旋翼，称之为“模型三”）。试验主要包括三个步骤：1)将不带桨叶三个模型安装至试验台，分别测出其桨毂的各气动力和力矩值。891)三个模型分别装上桨叶进行吹风，改变参数，并记录不同参数情况下的试验值（待旋翼进入稳定自转后记录试验值）。主要测

6、定在不同的风速、旋翼轴后倾角（主要是针对桨盘平面迎角）、总距角和上下旋翼的间距时上下旋翼的合力、合力矩以及稳定转速或孤立旋翼的力、力矩及转速；2)将三种试验模型在相同参数情况下获得的数据进行对比，分析得出力、力矩及稳定转速与各参数之间的变化关系。并通过数据处理对比分析上下旋翼之间的气动干扰问题。1试验模型设计1.1模型设计要求所设计的试验模型需满足风洞吹风试验方案中的试验要求，通过该模型可测量旋翼稳定转速和旋翼产生的力及力矩。要求所设计的试验模型能实现试验方案中涉及到的挥舞、摆振、总距、后倒角（后倒角通过旋翼台实现）和上、下旋翼间距等参数的变化；两副旋翼

7、同时自转时既能测得两副旋翼共同产生的力和力矩，也能测得单副旋翼产生的力和力矩；可测得孤立旋翼的气动力和力矩。1.2桨叶设计桨叶采用全复合材料结构，选用气动性能较好的OA212翼型，最终设计的桨叶平面形状为矩形，桨叶长度为1.145m、弦长b=0.095m、单片桨叶重0.772kg、洛克数为4.627、无负扭转、桨叶片数6片。桨叶根部通过一个高强度绞制孔螺栓与桨毂相连。1.3桨轴设计设计初期，将桨轴设计成几段，分别用法兰盘连接，如图1（a）。通过增加和减少桨轴段数来改变桨轴的长度，从而改变上、下旋翼的间距。这种结构只能使旋翼间距离散取值，对试验的数据的连续

8、性及有效性有一定的影响。为了解决这个问题，设计中将桨轴的外圆加工螺纹，如图1（b