基于主旋翼非对称操纵的ABC直升机气动干扰、非定常气动载荷及性能优化研究

High-flight-speed ABC helicopter, one of the most important research frontiers with high economic and military value in modern aviation research area, is receiving more and more attention from people. The helicopter rotor has complicated aerodynamic environment with strong aerodynamic interference. And the flight-speed of ABC helicopters is restricted by the vibration of the unsteady aerodynamic loads of main rotors. Therefore, one of the ABC helicopter research hot spot is the work of vibration control of the unsteady aerodynamic loads and the performance optimization during high speed flight.. Present project is focusing on this problem, planning to discuss a new solution based on the non-simplified multi-solution trim method proposed by the applicant. Present research will build a comprehensive aerodynamic analytical model coupled with the multi-solution trim method. And the control strategies and aerodynamic interference mechanism of multiple flight conditions will be researched. The aim of vibration control of the unsteady aerodynamic loads and the performance optimization will be achieved by means of the asymmetrical control of the upper and lower main rotors of ABC helicopters.. Present work could both improve the research of control strategies and provide powerful analytical solution to complicated aerodynamic problems of ABC helicopters. And new progresses and ideas could be obtained.

能够高速飞行的ABC直升机是当前航空界的一个前沿研究领域，在国际上日益受到关注，具有重要的军事和经济价值。由于直升机旋翼的气动环境复杂，受到强烈的气动干扰，致其非定常气动力振动制约着高速直升机的发展，因此目前国际上ABC直升机理论研究的热点之一在于高速飞行时旋翼非定常气动载荷振动控制（减振）及性能优化。. 本项目围绕这一问题，基于申请人近期所提出的非简化多解配平方法，拟探讨一种新的途径来改善这一问题。本研究将建立耦合了多解配平方法的综合CFD气动分析模型，研究多种飞行状态下主旋翼的操纵策略及相应的气动干扰机理。通过ABC直升机上、下主旋翼的非对称控制，来达到非定常气动载荷减振和性能优化的目的。. 本项目的工作既可填补目前国际上ABC直升机主旋翼操控策略方面研究的空白，又可为解决复杂的ABC直升机相关气动问题提供有力的分析手段。可望在该领域取得一些新进展，提供一些新思路。

刚性旋翼高速直升机存在严重的非定常气动力振动问题，极大制约了其最大前飞速度及直升机应用场景。针对该关键问题，自上世纪60年代起至今，学术界普遍采用“主动旋翼控制系统”来进行一定程度的抑制，但目前仍只能施加1至2个高阶谐波操纵，且需通过大量遍历计算或实验寻找相对最优的振幅、相位和频率参数组合。..从电子工程学的交流电叠加原理出发，本研究提出了一种创新的正弦配平方法，以消除刚性旋翼直升机的非定常升力振动。结合内循环配平与外循环配平模块，给出了一种前行桨叶概念旋翼空气动力学分析模型。内循环模块通过调整每个方位角的桨距，将刚性旋翼桨叶升力分布曲线转换为类似的正弦曲线。此外，还提供了一种可以大幅提高内饰计算效率的加速算法。外循环模块选择下旋翼的振幅作为预设值，通过修改上下旋翼的升力正弦曲线参数，它在配平直升机的总力和力矩方面是可靠而有效的。在正弦配平中，上，下旋翼具有相似的正弦升力分布参数，并且它们的相位和振幅呈现出直接的反比关系。计算结果表明，经过正弦配平后，无论运行状态如飞行速度，叶片数和转子转速如何变化，刚性旋翼的总气动升力振动都可以消除。在所有方位角上都可获得桨叶桨距控制分布的最优解，该分布是许多高次谐波输入的综合叠加。对于相同的升力中心偏移量，正弦配平后，与传统的前行桨叶概念旋翼相比，可能存在较小的有效升阻比损失。..该研究的成果对于困扰学术界半个世纪的直升机旋翼非定常气动力振动问题形成重要突破。该成果可能将引领下一波研究方向和热潮，并在未来大幅拓展刚性旋翼直升机的应用范围和场景。