高前进比大反流区对旋翼操纵响应的作用机理及影响规律研究

Improving the flight speed of helicopter has always been the goal for all countries to pursue, while the dynamic behaviors and the characteristics of control response for the rotor at high advance ratio change a lot compared with the rotor at low or moderate advance ratio due to the large reverse flow region, which cause the control reversal, while the rotor dynamics model existing can't predict the control response effectively. This project intents to investigate the control response of rotor at high advance ratio, aim at the large reverse flow region and study the effect of the unsteady aerodynamics of the airfoil in the reverse flow region and the blade motion on the characters of rotor dynamics and control response at high advance ratio systematically by means of new experiment and numerical simulation method. The task will build the rotor dynamics model which can calculate the control response of rotor at high advance ratio accurately, ascertain the mechanism of the control response of rotor at high advance ratio, and reveal the effect law of parameters of the rotor working conditions on the control response, and The result of the research will provide the theoretical support for the high speed helicopter in the future.

提高直升机的速度一直是各国追求的目标，高前进比旋翼由于出现大面积的反流区，与常规直升机旋翼相比，其动力学行为及操纵响应特点发生很大变化，导致操纵反效，现有的旋翼动力学模型尚不能有效预测高前进比旋翼的操纵响应。本项目以高前进比旋翼的操纵响应为研究对象，针对高前进比旋翼的大反流区，采用新的试验手段和数值模拟方法，系统研究反流区桨叶翼型的非定常气动、旋翼桨叶运动等因素对高前进比旋翼动力学特性和操纵响应的影响，建立能够准确预测高前进比旋翼操纵响应的旋翼动力学模型，探明高前进比大反流区对旋翼操纵响应的作用机理，揭示旋翼工作状态参数对高前进比旋翼操纵响应的影响规律，为未来高速直升机的设计提供理论支撑。

随着高速直升机的发展，旋翼前进比越来越高。旋翼前进比的增加带来了一系列气动和旋翼操纵问题，与中小前进比旋翼相比，高前进比旋翼大面积的反流区颠覆了后行桨叶的气动环境，改变了旋翼动力学特性，进而导致了旋翼操纵反效等现象的发生。高前进比反流区影响旋翼动态性及操纵响应的机理相当复杂，究其原因是多方面的，其中反流区内的桨叶翼型动态失速是重要因素。现有直升机旋翼动力学模型不能正确预测高前进比旋翼的操纵反效问题，其主要原因在于操纵反效的物理本质尚不完全清楚。针对上述问题，本课题以高前进比大反流区对旋翼操纵响应的作用机理为研究对象，提出新的实验和理论分析方法，开展了反流区翼型动态失速实验研究，通过合理的实验方案设计，开展反流区翼型静态气动实验、反流区翼型动态俯仰运动非定常气动实验、反流区翼型动态沉浮运动非定常气动实验等研究，为构建反流区翼型动态失速模型提供实验数据和验证依据。在此基础上进行高前进比旋翼动力学理论建模研究，根据反流区翼型动态失速实验研究的实验结果，建立了反流区翼型非定常/动态失速气动模型，对高前进比旋翼反流区内翼型动特性进行了探究，分析了翼型上升力与力矩系数曲线的变化特征及翼型上下表面压力系数分布特征等，并分析了平均迎角、振幅、缩减频率等因素对逆向流中翼型气动特性的影响。最后与现有的旋翼动力学模型集成，构建了能准确反映高前进比旋翼反流区桨叶翼型动态失速、桨叶非定常气动、桨叶运动以及旋翼尾迹强耦合的旋翼动力学模型及操纵响应的数值分析方法，进一步探索和发现反流区变化以及动态失速对高前进比旋翼动力学行为的作用机理。通过本课题的研究，获得了高前进比旋翼反流区翼型动态失速特性的基础实验数据库，为后续研究提供实验数据支持，构建一套准确预测分析高前进比旋翼操纵响应的方法，拓展了现有高速直升机基础理论，为未来高速直升机设计提供理论基础。