基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

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1、航空学报ActaAerOnaulicaetAstrOnauticaSinicaJuI．252016VoI．37No．72170—2179lSSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．educn基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计徐明，李建波*，彭名华，刘铖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：为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量，基于不确定性多学科设计优化方法，对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的

2、不确定性进行分析与建模，同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素，对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素；然后在协同优化框架下，分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型；最后以续航性能为系统学科，悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科，进行多学科的不确定性优化设计，得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案，该方案满足悬停需用功率低于350kw，飞行稳定性指数小于o．8等约束条件的概率不低于95．

3、46％，并且直升机的最大航时期望值也较大。关键词：旋翼转速优化；直升机总体参数；不确定性；多学科优化；航时中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)07—2170一10为缩短直升机概念设计周期，并获得最优方案，在直升机概念设计阶段就已经形成了多学科优化设计方法[1≈]，包含性能、气动、结构强度、飞行稳定性，以及发动机性能等。概念设计中的多学科设计不能替代后续的详细设计，但能在设计之初就兼顾到其他学科，保证设计方案的有效性，并且概念设计阶段所涉及的设计参数也越来越细致，甚至包括翼型数据等[4]，

4、因此现代直升机概念设计早已超出了早期的范畴，形成了一个系统工程。在以往的直升机设计过程中，直升机的设计变量与状态变量都被当做确定性的，但在直升机制造及使用过程中，有一定的不确定性存在，这些不确定性的来源主要有：①在加工过程中存在加工精度的问题，加工得到的尺寸会细微地偏离设计值；②在直升机使用过程中，部件材料老化会导致直升机部件的一些固有特性发生变化；③直升机在中低空飞行，气象条件多变，导致了直升机飞行条件的多样性。因此为了降低设计方案的失效率，提高直升机使用过程中的稳健性和可靠性，在直升机的初步设计阶段，应将各类不确定性因素影响

5、下的直升机性能和发动机性能进行综合评价，进而形成优化设计总体方案。1987年日本的Byrne和Taguchi博士将稳健性的概念引入到产品设计中口]，提高了产品质量。随着计算机技术的发展，概率和统计理论及优化算法的思想逐渐融入到稳健性设计中，最终形成了现代的稳健性优化设计邛。9]。NASA在21世纪之初就提出了不确定性设计在飞行器设计中的必要性[1⋯。本文基于不确定性多学科设计优化方法，对旋翼转速优化直升机设计进行分析研究。旋翼转速优化的核心是直升机根据飞行条件的不同实时调整旋翼转速，按照设计好的最优旋翼转速飞行，收稿日期：201

6、5—07—20；退修日期：2015—09．29；录用日期：2015．10．19；网络出版时间：2015．10．2214：58网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detaj

7、／111929v．201510221458002．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金；江苏省普通高校研究生科研创新计划(CxLXl3—164)*通讯作者Tel．：025—84895188E—mail：ljbl01@nuaaedu．cn戮角格式：徐明．李建波．彭名华．等．基f不确定性的旋翼转速优化直井机参数设计!J]．航空学报．201

8、6．37(7)：2170-2179。xUM．L

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15、casinica．2016．37(7)：2170．2179徐明，等：基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计2171使得发动机的耗油量降低，最终增加直升机的航时。重型运输直升机、攻击直升机、长航时无人直升机的有效载荷和燃油载荷在执行飞行

16、任务过程中有较大变化，单一固定转速限制了性能的提升，因此采用旋翼转速优化技术来提高续航时间是一个切实可行的办法。1998年美国研究者提出了旋翼转速优化的概念[1¨，并且研制了旋翼转速优化直升机A160，经实测，旋翼转速优化技术能使直升机的航时最大增加47％[12