直升机飞行动力学数学建模问题.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252017VoI．38No．7SSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaaeduCR直升机飞行动力学数学建模问题陈仁良*，李攀，吴伟，孔卫红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：直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础，也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统，在直升机飞行动力学建模过程中，必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性

2、特性，给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式，是对不同假设、子模型进行分析和综合的～个复杂的过程。鉴于此，简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状，着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼／发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后，针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。关键词：直升机；旋翼；飞行动力学；气动干扰；中图分类号：V212．4文献标识码：A机动飞行文章编号：1000—6893(2017)07—520915—17直升机飞行动力学数学建模是根据物理定律，采用直升机空气动力学等理

3、论建立直升机运动、外力(矩)与操纵(控制)之间的关系。直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础，也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。美国陆军最新颁布的“军用旋翼飞行器驾驶品质要求(ADS一33E—PRF)”明确规定新机型在各个研制阶段都需用直升机飞行动力学模型进行飞行品质的核查L1j。直升机的飞行动力学数学建模比固定翼飞机要复杂许多，这是由直升机的特点决定的。第一，旋翼不仅是直升机的升力面，也是直升机的操纵面，还是直升机的推进器乜]。除了偏航力矩来自尾桨，直升机操纵和推进所需的力和力矩都来自旋翼的气动力，即直升机的升力、操纵力(矩)和推进力是相互耦合的。对固定翼飞机而言，升

4、力面是机翼，操纵面是升降舵、副翼以及方向舵，推进器是发动机(喷气、涡扇发动机)或螺旋桨(螺旋桨飞机)，也就是说，固定翼飞机的升力面、操纵面和推进器是相对独立的。第二，旋翼的空气动力现象非常复杂∞]，直升机旋翼由大展弦比的柔性桨叶组成，依靠自身的旋转运动来产生升力。旋翼的空气动力现象具有两个显著的特点：一是桨叶附近在某些飞行状态下的分离流、激波等高度非线性的流动现象，其中分离流导致的非线性失速以及激波引起的波阻给旋翼气动分析带来了很大困难。二是桨叶后缘拖出的尾涡在桨尖附近迅速卷起，形成以桨尖涡为主导的旋翼尾迹，在悬停及小速度前飞状态，由于来流速度很小，桨尖涡滞留在桨盘附近，引起严重的几何

5、形状畸变，在桨盘平面诱导强烈的非均匀人流，改变桨叶的气动载荷分布和桨叶的运动，从而影响直升机的平衡特性和操稳特性；反过来，桨叶气动载荷分布和桨叶运动的变化，又会影响旋收稿日期：2016—11—07；退修日期：2017．02．19；录用日期：2017—03—27；网络出版时间：2017—04—191l：24网络出版地址：WWWcnkinet／KCMS／detail／11．1929V20170419．1124002html基金项目：国家自然科学基金(11672128)*通讯作者．E-mail：crlae@nuaa．edu．cn鳓用格武I喙e良．李攀．吴伟，等．直升机飞行动力学数学建模l'．

6、7；题fJJ．航空学报·2017，38(7)：520915．CHENRL，LIP，WUW，eta1．Areviewofmathematicalmodelingofhelicopterflightdynamics[JI．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(7)：520915．520915．1航空学报翼尾涡的强度分布及几何结构的变化，旋翼尾迹、桨叶运动及桨叶气动载荷三者之间形成一个高度耦合的复杂动力系统。当直升机作机动飞行时，旋翼的整体运动以及桨叶上的分布哥氏力将改变三者的耦合动力学行为，是一个存在惯性、结构和气动耦合的复杂动力学系统。长

7、期以来，旋翼的气动力建模一直是直升机飞行动力学建模的关键和核心。第三，旋翼与其他气动部件之间的气动干扰是直升机飞行动力学数学建模中面临的另一个关键问题[4]，尤其在悬停、小速度前飞状态下，旋翼尾迹冲刷到机身、尾翼和尾桨等部件，影响这些部件的空气动力，反过来机身等部件影响旋翼尾迹，引起旋翼气动力的变化。与固定翼飞机相比，直升机各部件之间的气动干扰有其特殊性，这是由旋翼流场特性和直升机构型决定的。首先，旋翼流场本身包含了非定常性、非线性和三维效应等