主从动式组合旋翼悬停状态气动特性分析

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1、第４４卷第４期航空计算技术Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４２０１４年７月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＪｕｌ．２０１４主／从动式组合旋翼悬停状态气动特性分析牛鑫，王正平（西北工业大学无人机特种技术重点实验室，陕西西安７１００７２）摘要：针对传统直升机构型中主旋翼旋转时产生的扭矩需要尾翼或是反向旋转的共轴旋翼加以抵消，从而造成能量浪费的问题，以将主旋翼旋转时产生的扭矩转化为升力为出发点，提出了一种主旋翼带动下方无动力旋翼旋转的主／从动式组合旋翼气动布局构型。通过动量叶素理论以及ＣＦ

2、Ｄ数值模拟中的多重参考系法，对主／从动式组合旋翼悬停状态的气动特性进行了初步分析，结果表明，此构型中的下方从动旋翼利用上方主动旋翼的扭矩产生了额外１０％的升力，同时下方从动旋翼在上方主动旋翼引流的有利干扰下升力系数提高了３５％。关键词：组合旋翼；气动分析；动量叶素法；多重参考系法中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１４）０４桘００５５桘０４AnalysisofAerodynamicCharacteristicsofCombinedRotorsinHoverＮＩＵＸｉ

3、ｎ，ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ桘ｐｉｎｇ（NationalKeyLaboratoryofScienceAndTechnologyofUAV，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi′an７１００７２，China）Abstract：Ｔｈｅｔｏｒｑｕｅ桘ｍｏｍｅｎｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｍａｉｎｒｏｔｏｒｏｆｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｉｓｕｓｕａｌｌｙｏｆｆｓｅｔｂｙｃｏｕｎｔｅｒｔｏｒｑｕｅ桘ｍｏｍｅｎｔｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔａｉｌｒｏｔｏｒｏｒｃｏａｘｉａｌｒｏｔｏｒｗｈｉｃ

4、ｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｗａｓｔｅｏｆｅｎｅｒｇｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄｒｏｔｏｒｓｗｈｏｓｅｕｎ桘ｐｏｗｅｒｅｄｌｏｗｅｒｒｏｔｏｒｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｅｔｏｒｑｕｅ桘ｍｏ-ｍｅｎｔｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｕｐｐｅｒａｃｔｉｖｅｒｏｔｏｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｂａｓｉｎｇｏｎｔｈｅｉｄｅａｏｆｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｔｏｒｑｕｅ桘ｍｏｍｅｎｔｔｏｌｉｆｔ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｍｅｎｔ

5、ｕｍｔｈｅｏｒｙ（ＢＥＭＴ）ａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｍｅｔｈｏｄ（ＭＲＦ）ｏｆＣＦＤｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄｒｏｔｏｒｓｉｎｈｏｖｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｒｏｔｏｒｓｍａｎａｇｅｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｔｈｅｔｏｒｑｕｅ桘ｍｏｍｅｎｔｔｏａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｉｆｔｗｈｉｃｈａｃｃｏｕｎｔｓｆｏｒ１０％ｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌ

6、ｌｉｆｔ．Ａｎｄｔｈｅｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｕｎ桘ｐｏｗｅｒｅｄｌｏｗｅｒｒｏｔｏｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｂｙ３５％ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒａｃｔｉｖｅｒｏｔｏｒ．Keywords：ｃｏｍｂｉｎｅｄｒｏｔｏｒｓ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｂｌａｄｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｙ；ｍｕｌｔｉｐｌｅｒｅｆ-ｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅ引言的主／从动式组合旋翼与共轴双旋翼在外形上有很大旋翼理论分

7、析的发展大致经历了动量理论、叶素的区别，因而会有与共轴双旋翼不一样的特性。在对［１］理论、涡流理论和旋翼ＣＦＤ方法。这些方法在分析主／从动式组合旋翼进行建模的基础上，结合已有的旋单旋翼性能时与试验结果符合得较好，因而也在双旋翼理论分析手段，并参照参考文献中分析共轴双旋翼［２－３］时采用的方法，本文着眼于建立一个适用于分析悬停翼性能分析时得到广泛使用。双旋翼与单旋翼在气动分析时的不同之处为双旋翼需要考虑上下旋翼间状态下主／从动式组合旋翼气动特性和上方主动旋翼的干扰。由于共轴双旋翼很早就被应用于直升机

8、旋翼对下方从动旋翼干扰的方法。系统中，所以对双旋翼气动特性的研究都集中在共轴双旋翼这一构型上。Ｃｏｌｅｍａｎ在提交给ＮＡＳＡ的一篇１主／从动组合旋翼模型建立科技报告中详细总结了各国对共轴双旋翼的研究成现今最为常见的直升机结构是单旋翼加尾桨结构［４］果，上下旋翼各自的桨距、展弦比以及二者上下间距和共轴双旋结构，然而这两种结构的效率并不是很高，等因素对共轴双旋翼的性能均有重要影响。本文提出主旋翼旋转后产生的扭矩由发动机驱动的尾翼或是反收稿日期：２０１４－０４－２１修订日期：２０１４－０