基于升力面自由尾迹的直升机旋翼悬停性能参数影响研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaFeb．252012V01．33No．2249．257ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．educn文章编号：1000—6893(2012)02—0249—09基于升力面自由尾迹的直升机旋翼悬停性能参数影响研究谭剑锋1，王浩文1’*，林长亮21．清华大学航天航空学院，北京1000842．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：最大悬停效率(FM⋯)作为衡量旋翼悬停

2、性能的常用指标，反映了旋翼能达到的最大悬停效率，但不能反映旋翼在一定桨叶载荷范围内保持高悬停效率的能力，本文给出了旋翼悬停保持能力的定义。为更准确地反映桨叶涡量分布，建立了基于升力面理论的桨叶气动模型；考虑有弯度翼型的影响，将涡量布置于翼型中弧线，随后基于自由尾迹模型、耦合刚性桨叶挥舞运动方程、翼型动态失速模型以及二阶精度时间步进格式建立了升力面自由尾迹方法。通过计算模型旋翼在不同桨尖马赫数下的悬停效率，并与试验数据对比，验证了方法的准确性。相比于升力线自由尾迹方法，建立的升力面自由尾迹分析方法能显著提高旋翼悬停效率计算精度。最后

3、分析旋翼关键设计参数对悬停性能的影响，得到设计参数影响旋翼悬停保持能力的新规律。关键词：自由尾迹；升力面；旋翼；悬停性能；悬停保持能力中图分类号：V211．52文献标识码：A平稳悬停是直升机相比于其他飞行器的最大优势，悬停效率(FigureofMerit，FM)是衡量旋翼性能的重要指标，对于运输直升机和高原武装直升机尤为重要。旋翼尾迹从桨叶后缘脱出，并按当地速度自由移动。在悬停状态下，旋翼尾迹靠近桨盘，对桨叶气动环境影响显著，因此，要准确计算旋翼悬停性能，需准确计算旋翼人流和桨叶气动载荷。计算旋翼人流有众多模型，如Pitt．Pet

4、ers动态人流模型[1]、Peters—He有限状态尾迹模型[2]、自由尾迹[3。41和基于求解Navier—Stokes方程的计算流体力学(CFD)方法Es-s3。其中动态人流基于桨盘入流线性分布假设；有限状态尾迹模型以动态人流为基础，由高阶多项式和谐波阶次表示人流；CFD方法计算量和数值耗散都较大口]。自由尾迹基于无黏不可压假设，通过涡系的简化能减少计算量，计算效率和精度满足工程要求，因此广泛应用于旋翼载荷计算[8]。升力线和升力面模型均可模拟旋翼桨叶气动特性。升力线模型将桨叶用一根强度连续变化的涡线(附着涡)代替，而升力面模

5、型将桨叶离散成单元涡环，通常简化为马蹄涡。自由尾迹模型中常用Weissinger—L模型[3^9。，该模型是升力线与升力面之问的良好折中，是升力面的近似模型。相比于升力面模型，Weissinger—L模型计算量较小，但由于采用单根涡线代表整个桨叶，因此在模拟具有大负扭、尖削和非平面形状特性的桨叶时，难以计人复杂的三维效应和桨尖效应，计算精度收稿日期：2011-05．27：退修日期：2011-07—11；录用日期：2011-10-19；网络出版时间：2011-10-3110：56网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／de

6、tail／11．1929．V．20111031．1056．003．htmlDOI：CNKI：11·1929／V．20111031．1056．003*通讯作者．Tel．：010-62792661E-mail：bobwang@mail．tsinghua．edu．On戮愚格武lTanJF，WangHW，LinCL．AnalysisoninfluenceofrotorparametersOr)rotorhoverperformancebylifting-surfaceandfreewakeme伪od．ActaAeronauticaetAs

7、tronauticeSinica．2012．33(2)：249-257，谭蓟锋，壬浩文．林长亮．基f升力面自由昆透的直升机旋翼悬停性能参数影响研究．航空学报．2012．33(2)：249-257．航空学报有所降低，而能体现桨叶外形的升力面模型则能更真实、更精确地反映桨叶的气动特性[1“12]，因此在AH一64D直升机桨叶改进设计中采用了升力面自由尾迹分析方法[13

8、。相比于CFD方法，升力面自由尾迹方法计算量很小，计算精度满足工程要求，因此常用在桨叶设计参数分析中，以确定桨叶初步构型，结合优化工具可快速得到满足设计指标的初步参数。

9、在此基础上，可采用精度更高的CFD做详细分析，对桨尖做更细致的调整。本文基于自由尾迹模型、耦合桨叶升力面模型、刚性桨叶运动方程、翼型动态失速模型和翼型静态气动特性表(C81表，即一种标准的双变量表格，通过该表格把二维翼型的升力、阻力和力矩系数表示成