先进旋翼设计空气动力学

旋翼机,空气动力学,研究

目录
丛书序
序
前言
符号表
第1章绪论 1
1.1 直升机的应用与未来发展 1
1.2 直升机旋翼气动性能 6
1.2.1 旋翼气动性能的重要性 6
1.2.2 旋翼气动环境的复杂特征 8
1.3 旋翼气动外形设计 10
1.3.1 旋翼气动外形设计发展阶段 10
1.3.2 旋翼翼型 11
1.3.3 桨叶三维气动外形 13
1.3.4 桨尖气动外形 14
1.3.5 旋翼主动流动控制 15
1.4 本书的脉络与特色 16
参考文献 19
第2章旋翼翼型空气动力学特性 22
2.1 旋翼翼型静态气动特性 22
2.1.1 翼型厚度对气动特性的影响 22
2.1.2 翼型弯度对气动特性的影响 24
2.1.3 翼型前缘半径对气动特性的影响 26
2.2 旋翼翼型动态失速特性 27
2.2.1 翼型运动参数对动态失速特性的影响 30
2.2.2 前缘外形对翼型动态失速特性的影响 34
2.2.3 动态失速涡特性测量试验 40
2.3 非定常来流环境下旋翼翼型气动特性 44
2.3.1 变来流{定迎角状态下旋翼翼型非定常气动特性 46
2.3.2 变来流{变迎角耦合状态下旋翼翼型非定常气动特性 49
2.3.3 变来流下翼型动态失速涡特性 53
2.3.4 不同相位差对旋翼翼型动态失速特性的影响 57
2.3.5 不同前缘外形对旋翼翼型动态失速特性的影响 58
2.3.6 三维状态下旋翼翼型动态失速特性 60
参考文献 66
第3章旋翼翼型气动设计方法 70
3.1 旋翼翼型设计的发展 70
3.2 旋翼翼型设计准则 73
3.3 翼型参数化方法 77
3.3.1 Hicks-Henne函数 77
3.3.2 CST方法 78
3.3.3 Bezier曲线 79
3.4 基于遗传算法的翼型静态优化设计方法 79
3.4.1 设计目标与约束条件 80
3.4.2 翼型优化结果与分析 81
3.4.3 优化翼型定常气动特性 82
3.4.4 优化翼型非定常气动特性 84
3.5 基于伴随方程的翼型优化设计方法 85
3.5.1 梯度求解及设计空间参数化 86
3.5.2 旋翼翼型优化流程 86
3.5.3 旋翼翼型优化算例 87
3.6 基于反设计方法的旋翼翼型设计方法 91
3.6.1 旋翼翼型反设计方法 91
3.6.2 旋翼翼型反设计验证 93
3.6.3 悬停状态旋翼翼型反设计分析 97
3.6.4 前飞状态旋翼翼型反设计分析 98
3.7 动态环境下旋翼翼型优化设计方法 100
3.7.1 非定常气动特性设计目标 101
3.7.2 序列二次规划算法 102
3.7.3 动态环境下旋翼翼型优化与分析 103
3.7.4 非设计状态下优化翼型的动态失速特性 105
3.7.5 优化翼型的静态气动特性分析 107
参考文献 109
第4章旋翼桨叶气动外形设计 113
4.1 旋翼桨叶三维气动外形设计进展 113
4.2 旋翼气动性能参数 116
4.2.1 桨盘载荷与功率载荷 116
4.2.2 悬停效率 117
4.2.3 前飞旋翼当量升阻比 121
4.3 桨叶翼型配置对旋翼气动特性的影响 121
4.3.1 翼型弯度影响 122
4.3.2 翼型厚度影响 124
4.4 桨尖设计原理 125
4.4.1 桨尖气动环境 125
4.4.2 后掠桨尖的剖面等效迎角 127
4.4.3 后掠桨叶、前掠桨叶与矩形桨叶的对比 128
4.5 桨尖气动外形参数影响规律 134
4.5.1 桨尖后掠对旋翼气动性能的影响 134
4.5.2 桨尖下反对旋翼气动性能的影响 139
4.6 旋翼桨叶的优化设计 146
4.6.1 旋翼桨叶单一外形参数的优化设计 146
4.6.2 旋翼桨叶气动外形综合设计 153
4.6.3 高性能共轴刚性旋翼桨叶设计 168
4.6.4 倾转旋翼机旋翼桨叶设计 176
参考文献 181
第5章新型桨尖旋翼设计实例 184
5.1 新型桨尖基本构型 184
5.2“黑鹰”直升机旋翼 186
5.2.1“黑鹰”直升机概况 186
5.2.2 旋翼设计思路与桨叶外形特征 187
5.3 BERP旋翼 191
5.3.1 BERP旋翼设计思路 191
5.3.2 BERP桨尖的**改进||BERPⅣ.194
5.4 新型低噪声旋翼 195
5.4.1 ERATO旋翼 195
5.4.2 Blue-Edge旋翼 199
5.5 CLOR系列旋翼 205
5.5.1 CLOR-Ⅰ旋翼 205
5.5.2 CLOR-Ⅱ旋翼 213
5.5.3 CLOR-HL高原旋翼 223
参考文献 234
第6章基于合成射流的旋翼主动流动控制方法 236
6.1 合成射流控制技术的发展 236
6.1.1 合成射流在翼型失速控制方面的研究 236
6.1.2 翼型动态失速特性的合成射流控制研究 238
6.1.3 旋翼非定常气动特性的合成射流控制研究 238
6.2 合成射流的涡流场特征 239
6.3 翼型静态失速的合成射流控制特性 245
6.3.1 合成射流控制边界条件 245
6.3.2 合成射流控制翼型失速机理 247
6.3.3 合成射流对翼型静态失速的控制规律 253
6.4 翼型动态失速的合成射流控制特性 258
6.4.1 VR-7B翼型动态失速控制 258
6.4.2 合成射流控制翼型动态失速的参数影响 260
6.5 旋翼非定常气动特性的合成射流控制 267
6.5.1 射流位置的影响分析 267
6.5.2 射流动量系数的影响分析 269
6.5.3 射流偏角的影响分析 272
6.6 旋翼合成射流控制试验 276
6.6.1 试验方法 276
6.6.2 翼型失速特性合成射流控制试验 280
6.6.3 翼型失速特性合成射流控制参数影响试验 282
6.6.4 旋翼合成射流控制原理性试验 288
参考文献 295
第7章智能旋翼主动流动控制方法 298
7.1 动态下垂前缘方法 298
7.1.1 动态下垂前缘的运动规律 299
7.1.2 动态下垂前缘控制试验 300
7.1.3 动态下垂前缘控制旋翼翼型动态失速特性的参数分析 301
7.1.4 动态下垂前缘控制参数的优化 304
7.1.5 旋翼动态下垂前缘控制 308
7.2 后缘小翼方法 313
7.2.1 后缘小翼对旋翼翼型动态失速的控制机理 314
7.2.2 旋翼气动性能的后缘小翼控制 318
7.2.3 后缘小翼对旋翼气动性能控制的参数影响 323
7.3 自适应旋翼 326
7.3.1 变转速旋翼 326
7.3.2 变直径旋翼 328
7.3.3 智能扭转旋翼 331
7.3.4 变翼型旋翼 334
参考文献 340
索引 343
彩图

第1章绪论
　　1.1直升机的应用与未来发展
　　直升机具有垂直起降和空中悬停等独特优势，对起降场地环境要求低，不受地形、地物限制，能够在车辆、固定翼飞机及其他器械无法到达的狭窄地区和非常严苛的条件下起降并遂行任务。与此同时，直升机低空机动性能好，可以充分利用地形采用贴地机动(15m以下高度)方式规避雷达、红外、光学系统和目视等侦察手段的探测，实施低空突袭任务，大大提高了自身的隐蔽性、生存力和攻击的突然性，因此武装直升机已成为现代战争中地面部队主要的天敌之一。由于直升机在复杂环境下垂直起降及低空机动性强的显著优势，其在军用领域发挥着重要作用，并且有越来越广泛的应用前景，如战术打击、特种作战、预警通信、电子对抗、物资运输、人员输送、战场投放、敌后侦查与渗透、战场搜救、战场监视和搜潜反潜等。
　　直升机在现代战争中发挥着越来越重要的作用，越南战争中，直升机**次应用于战争便显示出其优势，向世界证明了其是名副其实的“坦克杀手”，成为越南战争的一个标志性符号。美军曾以2架试验型UH-1直升机攻击、摧毁了越军21辆坦克和61辆装甲输送车(田勇，2013)，图1-1给出了越南战争中正在执行救援、垂直打击作战任务的UH-1直升机。
　　图1-1 UH-1直升机在越南战争中的应用
　　海湾战争中，直升机已大规模应用于战场，其战术作用进一步凸显，多国部队参战军用直升机多达1800余架(张劲挺和朱生利，1991)，目前世界上*先进的武装直升机“阿帕奇”(AH-64，图1-2)更是显示了“坦克杀手”的本色，在一次伊拉克南部巴士拉附近的坦克大战中，AH-64武装直升机与美国坦克部队密切配合，只用几小时就全歼了伊军的近300辆T-72坦克。据统计，战争中美军共摧毁3000多辆坦克及数百辆装甲输送车和卡车，自己只有一架直升机被击落。
　　图1-2 “阿帕奇”武装直升机
　　作为“低空杀手”，直升机在现代反潜作战中同样发挥着重要作用。相对于舰艇和潜艇，直升机具有速度快、机动性强、搜索范围广等突出优势，装备先进的探测设备后，能够大大提高反潜作战效能，令潜艇难以摆脱跟踪和攻击。1982年的英、阿马岛战争中，英军的HU-5“威塞克斯”直升机曾用深水炸弹攻击阿根廷海军“圣菲”号潜艇，“超级大山猫”和“黄蜂”反潜直升机(图1-3)曾联合用反舰导弹击穿了“圣菲”号潜艇，使其彻底丧失下潜能力(田勇，2013)。
　　图1-3 搜潜反潜直升机
　　在特种作战方面，直升机由于其低空机动性强、难以被探测等优势，成为名副其实的“树梢杀手”，在美军击毙本?拉登的行动中，直升机占据了主导地位。2011年5月1日，经过隐身、消声改装后的两架“黑鹰”特战直升机奔袭近300km并突破防御，悄无声息地将20余名海豹突击队队员运送至本?拉登所在院落，并成功将本?拉登击毙，彰显了直升机在现代特种作战中的重要作用。图1-4为其中一架坠毁的隐身“黑鹰”特战直升机(魏岳江，2011)。
　　图1-4 “黑鹰”特战直升机
　　随着经济的快速发展和市场需求的日趋迫切，同时结合直升机能够快速到达水路、陆路甚至固定翼飞机等难以通达的复杂作业现场的特点，直升机的民用范围也在迅速扩大，可以广泛应用于人员与物资运输、搜索救援、观光游览、防火救火、警用警戒、空中指挥、巡逻控制、农林防护和资源探测等领域。图1-5给出了直升机在特殊环境下的救援等应用场景。2008年5月12日发生的汶川地震中，在没有平整停机坪的情况下，飞行员驾驶直升机采用单轮着地的方式悬停在一处碎石坡上开展救援(图1-5(a)，妹子杨，2016)。2017年8月3日，救援部队两架直升机也通过这种飞行方式将被困江中不足10m2鹅卵石堆的2人救起(图1-5(b))。
　　图1-5 直升机抗震救灾时在复杂地形起降
　　虽然直升机在军民用领域具有巨大的应用潜力，但其性能仍有很大的提升空间，气动性能需*先考虑。图1-6给出了统计的直升机**有效载荷与**航程的关系(Leishman，2007)。可以看出，目前直升机基本限定在**有效载荷与**航程成反比的一条边界内，载重**的Mi-12直升机具有很小的航程，而航程较大的直升机又不具备大载重能力。由图可知，与C-130J固定翼运输机相比，直升机在航程和飞行速度上仍有很大差距，这在很大程度上限制了直升机的应用范围。与此同时，由图可以发现，目前直升机技术限制范围内仍有两个空白区域未见相关机型，即大航程/中等载重区域与大载重/中等航程区域，这或许是直升机未来发展需要重点关注的区域。
　　图1-6 统计的直升机**有效载荷与**航程的关系
　　此外，随着直升机使用范围的日益广泛，直升机的噪声问题也越来越突出。世界发达航空国家越来越重视直升机的噪声问题，并且把直升机噪声水平提高到与直升机性能、安全性等相当的地位。2017年12月我国交通运输部发布的《航空器型号和适航合格审定噪声规定》的H章专门针对直升机噪声做出了限制要求。
　　综合而言，随着作战环境对直升机气动性能要求的不断提高，以及民用方面对直升机噪声、安全性和可靠性要求的日益严格，迫切需要直升机各方面性能的大幅度提升，要求未来直升机具有大速度、大航程、大载重和低噪声等性能。
　　从未来直升机的发展趋势来看，高速特性仍然是一个关键性指标。目前直升机的巡航速度一般在200.300km/h，这难以满足现代战争与民用需要。因此，世界各国将突破速度限制的新型直升机定义为新一代直升机，巡航速度要有大幅提升，甚至超过400km/h。国内外正在发展的倾转旋翼机与共轴刚性旋翼高速直升机可以突破400.500km/h的巡航速度，是目前极具发展潜力的新构型直升机。美国贝尔(Bell)直升机公司与洛克希德?马丁空间系统公司(简称洛马)联合研制的V-280倾转旋翼机(图1-7)以及西科斯基(Sikorsky)公司与波音(Boeing)公司合作研制的SB>1共轴刚性旋翼高速直升机(图1-8)已分别于2017年12月19日(Giangreco，2018)和2019年3月21日(Reim，2019)完成首飞，标志着下一代直升机在速度方面已取得质的突破。
　　图1-7 贝尔与洛马公司联合研制的V-280倾转旋翼机
　　图1-8 SB>1共轴刚性旋翼高速直升机
　　中国大部分边境处于高山、高原地带，地形复杂，为满足对边境部队和哨所的快速补给需求，要求直升机具有高巡航速度和大载重。此外，中国雪灾、地震等自然灾害频发，雪域高原地带尤为显著，直升机以其垂直起降、空中悬停等优势在紧急救援任务中发挥着至关重要的作用。然而，高原环境具有温差大、气压低、空气密度低等特点，对直升机的飞行性能提出严峻考验。以旋翼气动性能为例，由于大气密度及雷诺数的降低，旋翼桨叶遭遇的气流环境更趋恶化，其有效升力降低明显，某些飞行状态下还会出现桨叶气流分离引起的失速现象。因此，新一代直升机设计时必须考虑大载重的高原任务需求。图1-9为AC-313高原型直升机(赵峰，2013)。
　　图1-9 AC-313高原型直升机
　　直升机噪声大这一缺点已成为阻碍其更广泛应用的一个重要因素，现代直升机的研发过程中，在重点考虑提高各项飞行性能的同时，噪声水平也是直升机重要的设计指标之一(ZhaoandXu，2007)。军用直升机的高噪声水平会降低其\隐身"特性，而低噪声特性能够避免被敌军提前发现，有利于提高战场生存力和争夺作战时的优先权。随着当前国内低空领域的开放，民用直升机经常在人口稠密的城区起降与低空飞行，降低直升机噪声水平能促进民用直升机的广泛应用。因此，低噪声特性成为下一代军用和民用直升机设计的重要内容。
　　1.2直升机旋翼气动性能
　　1.2.1旋翼气动性能的重要性
　　旋翼是直升机的核心部件，为直升机提供拉力和操纵力，使直升机具备垂直起降、空中悬停及向任意方向飞行的能力。旋翼为直升机提供了大部分操纵(直升机4个操纵中的3个)，分别为总距、纵向周期变距、横向周期变距，另外一个平衡反扭矩的侧向力由尾桨提供。此外，旋翼旋转过程中产生的噪声是直升机外部主要的气动噪声源。因此，旋翼气动性能的优劣直接决定了直升机的**前飞速度、载重和噪声水平等重要性能指标。
　　高性能的旋翼是现代直升机的重要标志，旋翼设计技术成为直升机的核心技术之一，因此在直升机更新换代过程中，旋翼设计是其中极为重要的一环。面对未来直升机大速度、大载重、低噪声的设计要求，以往一些经典的旋翼气动外形逐渐力不从心。为此，各国都在开展新型旋翼气动外形的设计研究，世界上较为先进的直升机均采用了新颖的旋翼桨叶气动外形，这些非常规桨叶外形有效地提高了旋翼气动性能和直升机飞行性能。安装了BERP(British Experimental Rotor Programme)Ⅲ桨叶的英国“山猫”(Lynx)直升机在1986年创造了400.87km/h"

《先进旋翼设计空气动力学》提出了旋翼气动性能的多层次设计思想、旋翼及翼型先进气动设计理论与方法。主要包括：研究了旋翼翼型静态和非定常动态气动特性，揭示了动态失速机理、后掠桨尖旋翼流动机理和旋翼气动外形参数对其气动及噪声特性的影响规律，阐述了旋翼及翼型气动外形的参数化与先进设计方法，提出了基于动态失速特性的旋翼翼型优化设计新思路和后掠桨尖设计新原理；介绍了国外具有代表性的先进旋翼气动设计原理，给出了融合高精度CFD分析方法与先进设计方法的CLOR系列旋翼设计历程，并推广至新构型直升机旋翼气动设计；探索并分析了合成射流、动态下垂前缘、后缘小翼、变转速旋翼、变直径旋翼、变扭转旋翼以及变翼型旋翼等主动控制技术在旋翼气动性能改善与未来设计方面的应用潜力。