旋翼结冰对直升机飞行动力学特性的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011VOl，32No．2187．194lSSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)02—0187—08旋翼结冰对直升机飞行动力学特性的影响李国知，曹义华*北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京10019I摘要：基于旋翼冰风洞试验数据，考虑桨叶表面附着冰脱落及桨叶表面局部温度对结冰的影响，提出了旋翼结冰的工程模型。建立了直升机旋翼结冰

2、后的飞行动力学模型。以UH一60A为样机，研究了直升机旋翼结冰后的平衡特性，分析了结冰对直升机稳定性的影响。根据有人驾驶垂直／短距起落飞机军用品质规范(MIL-F-83300)与军用旋翼飞行器驾驶品质要求(ADS33E—PRF)，分析了结冰时间、环境温度、液态水含量以及平均水滴直径对旋翼结冰后的直升机开环状态下的操纵特性、姿态敏捷性、轴间耦合特性以及垂直轴操纵功效的影响。计算结果的对比分析显示，旋翼结冰模型合理，直升机飞行动力学模型计算精度高，能够用来研究直升机旋翼结冰后的飞行动力学问题。关键词：直升机；旋翼结冰；飞行动力学；平衡特性，飞行品质

3、中图分类号：V212．4文献标识码：A直升机飞行高度多处于6km以下，在此高度范围内经常会遇到雨雪冰霜等恶劣天气，当大气中的液态水含量较高时，会使直升机在执行任务期间遭遇结冰的危险。其中，旋翼部件的结冰主要引起桨叶气动特性的变化(降低桨叶翼型升力系数，并使桨叶翼型阻力系数增大)，从而降低直升机的飞行性能，使飞行品质等级下降，严重威胁飞行安全。自20世纪80年代起，国外相关研究机构在固定翼飞机和螺旋桨飞行器结冰研究基础上，逐步对直升机旋翼结冰问题进行了研究【l-3]，对直升机结冰后的飞行动力学问题展开了初步探索，但当时仅限于研究结冰对旋翼扭矩和功

4、率的影响[4]。目前，我国学者曹义华等【51对直升机结冰问题进行了比较详尽的综述，在翼型结冰问题上已有研究【6’7J，对旋翼结冰也有一定的理解L8J，在结冰后的直升机飞行动力学问题研究上刚刚起步。本文在前人研究的基础上，以旋翼冰风洞试验数据Ⅲ为基础，通过建立旋翼结冰后的直升机飞行动力学模型，进一步研究了旋翼结冰对直升机飞行动力学特性的影响。1模型简述1．I旋翼结冰模型将旋翼桨盘分别沿周向和径向均等划分计算区域，对每个区域内桨叶微段的来流迎角与马赫数均化处理，以旋翼冰风洞试验数据为基础，计算结冰后的桨叶气动特性，综合考虑所有计算区域以及桨叶表面附

5、着冰脱落与桨叶表面局部温度对结冰的影响，可得到整个旋翼的结冰情况，由此建立旋翼结冰模型。当桨叶表面在某一段时间rs内积聚的附着冰受旋翼旋转产生的离心力大于附着冰与桨叶表面的黏附力时，部分附着冰脱落，脱落冰的质量等收藕日期：2010．05．25：退修El期：2010-07—06；录用El期：2010-08—05；网络出版时闻：2010—11—1109：15网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20101111．0915．030．htmID伽：CNKI：11·1929／V．201011”．0915．030

6、基金项目：北京航空航天大学博士研究生创新基金(YWF-10—02．380)*通讯作者．Tel．：010．82339537E-mail：yihuacaobu@126．corn葶l用格式t季国知．瞢义华i捷翼鲒埭对直井机飞行动力学特性昀影响[J]．航空学报．201I。32(2)：187-194．LiGuozhi，CaoYihua．Effectofrotoricingonhe／／copterflightdynamiccharacteristics[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSin*ca，2011，31(2)f18

7、7-194．航空学报于该时间段内桨叶表面的结冰质量。因此，可通过对结冰时间r的修正建立桨叶表面附着冰脱落模型。修正后的结冰时间为“=r——r。[r／r。](1)式中．[r／r。]为r与r。的比值的整数部分。冰风洞试验表明，桨叶表面局部温度丁【．主要受环境温度TS、迎角a和马赫数Ma的影响，如下所示：E3]Tc一(瓦+273．15)(1+0．2r·Ma2)+0．33(a一6)一273．15(2)式中：，-为复温因子。当Tc

8、达式为【31△CL=一；K。KL肌[口+2+KLl(口一6)2]／c(3)AC。=(0．158In忌。+175A。E+I．7)(等)cDo(4)式中：