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最优转速旋翼直升机总体气动技术研究

徐明  
【摘要】:为了解决最优转速旋翼直升机总体设计中所面临的关键技术问题,本文开展了建模方法研究,分别对最优转速旋翼的气动特性分析与设计、最优转速旋翼直升机的飞行动力学特性分析、飞行性能分析、总体参数设计等方面进行了深入的研究,并且最终完成了起飞重量2000kg级最优转速旋翼直升机的总体参数方案设计。本文的主要研究内容包括:(1)基于L-B动态失速模型及Sheng.W低马赫数动态失速修正模型,建立了最优转速旋翼的气动特性分析方法,解决了以往计算模型不能准确计算低马赫数失速状态下的气动力问题。采用该计算方法对最优转速旋翼在不同转速下的气动特性进行研究,分析了最优转速旋翼对旋翼气动特性的影响,确定了不同状态下的最优旋翼转速计算方法。和常规旋翼不同,最优转速旋翼气动设计中旋翼转速也是一个变量,并且与其它桨叶外形参数相互影响,为了获得较好的最优转速旋翼桨叶气动外形,以自由尾迹模型为基础建立了最优转速旋翼桨叶气动外形参数的优化设计方法,根据该设计方法,得到了最优转速旋翼的模型桨叶气动外形设计方案。(2)根据挥舞等效方法,建立了适用于桨叶挥舞刚度较大的最优转速旋翼直升机的飞行动力学特性分析方法,为了提高分析方法的计算精度,旋翼入流计算采用了精细化的自由尾迹方法。根据该分析方法,研究了旋翼转速、桨叶挥舞刚度、平尾面积,以及尾桨转速方案对直升机操稳特性的影响,最后基于最优转速旋翼直升机的应用背景,提出了最优转速旋翼直升机操纵性、稳定性的设计依据。(3)确定了以自由涡轮转子转速控制实现旋翼转速调节的技术方案,然后根据直升机需用功率计算模型、变转子转速涡轴发动机性能计算模型,以及直升机空机重量估算模型,建立了最优转速旋翼直升机/发动机一体化的飞行性能分析方法,为准确分析最优转速旋翼直升机飞行性能,以及总体参数方案设计提供了基础。根据该分析方法,确定了旋翼转速、直升机总体参数与直升机性能之间的相关性。(4)为了提高最优转速旋翼直升机总体方案的设计质量,降低最优旋翼转速不确定性对飞行性能的影响,本文构建了不确定性多学科优化框架,对最优转速旋翼直升机的总体参数进行了不确定性优化设计,通过优化求解,确定了最优转速旋翼直升机的总体参数。在此基础上,采用最优转速旋翼桨叶气动外形设计方法,对直升机的桨叶气动外形进行了详细设计,最终得到了最优转速旋翼直升机的总体参数设计方案。(5)针对最优转速旋翼的气动分析与设计结果,开展了旋翼变转速气动特性吹风试验和最优转速旋翼桨叶气动外形验证试验,通过试验研究,验证了最优转速旋翼在提高悬停效率,降低需用功率等方面的实效性,以及最优转速旋翼气动特性分析方法与桨叶气动外形设计方法的有效性,完成了最优转速旋翼理论分析到分系统验证的过渡,为后续的研究夯实了基础。本文采用理论建模分析与试验验证相结合的方法,完成了最优转速旋翼直升机总体设计阶段中的关键技术研究,形成了一套准确有效的最优转速旋翼直升机总体及旋翼气动分析设计方法,这些分析设计方法不仅能为最优转速旋翼直升机的型号设计奠定理论基础,也能为其它构型直升机的设计提供借鉴与参考。


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