直升机空气动力学现状和发展趋势

文章编号:167321220(2009)032122204直升机空气动力学现状和发展趋势陈平剑,李春华(中国直升机设计研究所,景德镇,333001)摘　要　直升机空气动力学是直升机技术研究及型号研制的基础性学科和先行学科,本文概述了国外的直升机气动理论与方法研究、基于气动理论和方法的应用基础研究、直升机气动试验技术的研究现状,预测了直升机空气动力学专业的未来发展趋势,为国内的直升机空气动力学专业的发展提供参考。

关键词　空气动力学;直升机中图分类号:　V211.52 文献标识码:　A1　前言飞行器的设计和研制必须以其空气动力学特征为主要依据,这是飞行器研制区别于其它武器平台和运输平台的典型特征。

直升机以旋翼作为主要的升力面、推力面和操纵面,这种独特的构型和旋翼驱动方式,更使其气动特征具有复杂的非定常特征,其气动分析和设计技术比固定翼飞行器更具挑战性[1]。

直升机气动研究是指认识直升机与空气之间作用规律、揭示直升机飞行原理、获取提升直升机飞行能力和效率的新知识、新原理、新方法的研究活动,其主要任务是获得直升机的空气动力学特性[1]。

由于直升机气动特性直接决定了型号飞行性能、振动特性、噪声水平,且是结构设计、寿命评估等的直接依据,因此直升机气动研究是直升机技术研究的重要方面,更是型号研制的基础。

尤其是要实现舒适、安全、便利、快捷的直升机型号研制目标,直升机空气动力学将体现其核心推动作用。

2　内涵和范围直升机空气动力学专业发展涵盖的内容和范围主要有直升机气动理论与方法的研究、基于气动原理的应用基础研究以及气动特性试验研究三大内容。

直升机气动理论与方法的研究重点关注旋翼与周围空气相互作用现象及机理的分析模型和方法,通过对气动理论和方法的研究,实现对直升机及其流场的深入了解,以准确地计算其空气动力学特性。

气动应用研究是指基于气动理论和方法,以直升机研制为目标所开展的应用基础研究,涵盖气动特性、气动弹性、气动噪声、结冰模拟、流动控制等应用领域,还包括气动原理结合飞行原理的直升机飞行力学研究。

气动应用研究通过开发先进的直升机设计和分析工具,为型号研制提供设计依据,获取目标特性最优的气动外形,提炼新的先进飞行器设计思路和概念,以研制符合使用需求的先进直升机。

直升机气动特性试验研究包括针对直升机相关气动理论的验证试验、针对直升机部件或全机的气动特性分析、校核及验证试验,以及针对直升机气动试验技术本身的技术基础研究和应用研究。

3　国内外发展现状国外在直升机空气动力学领域开展了大量的研究工作,并在某些技术领域取得了突破性进展,主要表现在以下三个方面:3.1　直升机气动理论与方法直升机空气动力学的关键和基础是旋翼空气动力学,对于旋翼气动理论和方法的研究工作,在当前及未来很长一段时间内将主要集中在自由尾迹方法总第159期2009年第3期 直　升　机　技　术HE L I C O PTER T ECHN I QUE T o t a l No.159No.32009:20090724 收稿日期22和旋翼CFD方法的研究上。

在旋翼自由尾迹研究方面,目前国外构建了以松弛尾迹求解准定常气动特性和时间推进方法分析非定常气动特性的两大计算体系,并逐步引入桨叶弹性影响分析旋翼的气动弹性响应特性[2]。

在旋翼CF D研究方面,由于直升机旋翼流场远比固定翼的复杂,旋翼CFD的发展比固定翼CFD的发展要缓慢,国外对旋翼CF D方法的研究经历了从简单到复杂的四个阶段,即小扰动位势方程[3]、全位势方程[4]、Euler方程[5]和Navier -Stokes方程[6]阶段,但旋翼CF D方法的研究离工程实用阶段还有较长的路要走。

3.2　基于气动理论和方法的应用基础研究由于直升机尤其是旋翼气动理论的发展,愈来愈细致的旋翼气动模型得以发展,并融合直升机各个子模型编制成直升机综合分析软件进行各种理论分析,比如2G CHAS、CA MRAD系列、F L I G HT LA B、U MARC、HOST等。

基于先进的气动分析方法和工具,开展了大量的应用研究,取得了一系列成果,以旋翼气动设计、结冰模拟、噪声控制、流动控制及飞行力学等方面为例,说明当前直升机气动应用基础研究方面的现状。

直升机旋翼的气动性能取决于翼型和桨叶气动外形。

法国在20世纪70年代研究发展了OA2和O A3翼型系列,之后又继续研究发展了OA4、OA5翼型系列,OA4比O A3的最大升力有明显提高, O A5则扩展了上翼面层流范围,在最大升力稍有降低的情况下阻力系数比OA3减少了18%,比OA4减少了20%。

同时,俄国、美国、德国和英国等也大量开展了新的旋翼翼型研究,并应用于各自的直升机型号。

在桨叶气动外形设计方面,桨尖形状对旋翼气动特性的影响研究已成为直升机空气动力学研究的热点,EC-135、AH-64和S-92等一系列先进直升机已采用了后掠、后掠尖削或后掠下反桨尖,新型桨尖在直升机上的应用已经成为发展趋势[7]。

当前,美国、法国等先进国家正在着手将旋翼气动性能与噪声结合起来,采用优化方法进行桨叶气动外形设计,并且已取得较大进展。

在国外,随着民用直升机的普及,直升机噪声问题[8]越来越受到人们的重视,对降噪有十分迫切的需要,并着手对直升机的噪声问题进行了广泛的研究。

例如美国N S对直升机的降噪措施进行了较为详细的研究,也提出了一些新型的降噪措施,例如调整旋翼桨叶间隔和X力控制方案。

在结冰模拟和分析方面,国外针对固定翼的研究开展较多,在针对固定翼结冰表面的周围流场计算、过冷水滴的运动的数值模拟、结冰过程的仿真分析等研究都取得了很大进展,但是对于复杂的旋翼结冰数值模拟研究开展的并不多,仍处于发展阶段。

在流动控制[9]研究方面,还处于探索阶段,主要集中在二维翼型的研究,极少有三维旋翼流动控制方面的研究成果公开发表。

桨叶前缘附近法向吹/吸气、零质量射流等一系列流动控制技术已开展研究,表明流动主动控制在直升机旋翼流动控制方面具有很大的发展潜力。

直升机飞行力学研究核心是代表直升机运动特性的飞行力学数学仿真模型。

近年来,国外大部分新发展的飞行动力学模型开始采用弹性桨叶模型,并已尝试将自由尾迹分析作为旋翼入流模型引入飞行动力学建模,但由于数值稳定性及计算量较大等问题,还未能用于实时飞行仿真研究。

由于直升机飞行力学研究大多用经典的气动模型,国外对飞行力学的研究相对成熟,但在一些瞬态响应的预测方面与实际的飞行验证还有一定差距。

同时,国外从20世纪70年代末期开始,对系统辨识方法在旋翼飞行器上的应用开展了系统性研究,即利用飞行测试得到的操纵输入和直升机响应之间的关系辨识出直升机的气动导数和操纵导数,从而得到基于飞行试验数据分析结果的飞行动力学模型,目前这一技术已成为新机研制和改型设计中的重要工具。

随着直升机应用领域的拓宽和技术的发展,直升机的设计和评价指标,也从主要着眼于好的飞行性能和可靠的强度。

扩展到舒适性、可靠性和任务效能,最新的航空设计标准把飞行品质作为主要设计指标之一。

3.3　直升机气动试验研究在直升机气动试验方面,国外经过多年的发展,已具备了较为成熟的试验技术和手段[10]。

在翼型气动特性试验方面,能够准确测量翼型的静态和动态气动特性,包括分离、转捩位置、附面层形式等参数的测量技术较为成熟。

在孤立旋翼气动特性试验方面,国外对旋翼性能、载荷、桨叶表面压力分布、流场、噪声等开展了系列的试验研究,且具备了开展边界状态的非定常气动特性试验能力,已建立了较完善的数据库。

试验手段方面微型动态压力传感器、压敏漆S技术、LDV和I V应用技术,噪声测量技术均比较成熟和完善,具备了较好的试验结果处321　2009年第3期 陈平剑,李春华:直升机空气动力学现状和发展趋势:A AP P P理技术。

公开发表了大量机身测力测压、旋翼/机身干扰、进气道气动特性方面的试验结果,还开展了相应的气动机理试验,如翼型流动机理、旋翼流动机理、气动噪声机理等。

积极从事气动探索和创新试验,开展新气动布局、新气动构型试验,如倾转旋翼、新桨叶平面形状、新型桨尖等。

4　发展趋势预测4.1　高精度、高效率的气动分析数值方法逐渐完善并实用化 国外对直升机气动特性分析理论正在逐步由传统的自由尾迹方法向高精度、高效的CFD方法推进,并积极开展旋翼CF D方法与CS D方法和噪声理论的耦合研究,其远景目标是通过耦合CF D/CS D 的研究,综合解决直升机的气动和动力学问题[11]。

4.2　气动设计越来越注重多学科优化及跨专业的交叉融合 直升机气动设计与性能等关键特性直接相关,以桨叶外形设计为例,优良的桨叶外形设计可改善旋翼的气动特性,增加直升机的实际载荷、提高直升机的飞行速度,减少直升机的振动,降低飞行器的噪声水平。

直升机的气动设计越来越注重多学科多目标的综合优化设计,直升机的气动、动力学、飞行力学、声学特性均具有非定常、非线性特征,基于气动、动力学、声学等学科的直升机性能、噪声、振动等目标特性最优的设计能力提升将极大程度的提高直升机的舒适性、安全性及使用寿命。

4.3　先进的试验技术和试验手段越来越多地用于气动分析和设计研究 先进的试验技术逐步用于气动技术研究和型号研制,微型动态压力传感器、压敏漆PSP技术、LDV 和P I V应用技术,噪声测量技术等先进技术越来越成熟和完善,这些具备了较好的试验结果处理技术。

4.4　基于新型气动设计方案的新构型直升机越来越普遍 高速直升机及相关的速度推进技术研究已成为未来旋翼飞行器发展的一个重要方面,而利用刚性旋翼技术提高直升机的飞行速度正是一种可行的方案。

例如西科斯基公司正加紧其刚性旋翼飞行器X2的研制[12],并计划2011年左右将其推向市场,而俄罗斯也推出了其基于刚性旋翼的高速直升机计划,因此刚性旋翼在很大程度上代表了未来高速直升机旋翼概念的发展方向。

基于旋翼倾转状态的非定常气动技术的突破,美国经历了漫长曲折的发展过程[13],发展了倾转旋翼机,于20世纪90年代初完成了对V-22的飞行试验等各项研制工作,并已进入生产使用阶段。

该类飞行器兼顾了固定翼的高速飞行和直升机的垂直起降功能,具有广阔的使用前景。

其他诸如鸭式旋翼/机翼(CR W)、融合旋翼/固定翼技术的新概念飞行器布局也在不断进行探索。

这些新新构型直升机的发展和普及在促进直升机多样化的同时,也将细化直升机的使用领域,扩大直升机的应用前景。

5　结束语直升机气动新概念、新理论、新方法、新技术的突破和发展,直接推动着直升机的发展及更新换代,本文对直升机空气动力学理论与方法、基于气动理论和方法的应用基础研究、直升机气动试验技术的研究现状及未来发展趋势进行综述,以期为国内的直升机空气动力学专业的发展提供参考。

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