直升机旋翼俯仰/滚转交叉耦合运动产生机理研究

Strong cross-coupling motion is one of primary factors contributing to poor flying qualities of helicopters. However, the state-of-the-art helicopter flight dynamics mathematical models can not correctly predict the characteristics of cross-couplings, which increased the difficulty of flight control system design and its adjustment cycle, consequently, downgrade the flying qualities level of helicopters. This project taking the cross-coupling motions of helicopters as research object, combining a new grand test method and an advanced theory method to investigate the effects of rotor wake distortion and viscous dissipation, unsteady aerodynamics, blades elastic deformations on the behaviors of helicopter cross-coupling motions. The research deeply explores the formation mechanism of the cross-couplings and the variation rules of the cross-couplings caused by the changes of flight states ,which is a significant theoretical basis forhelicopter advanced flight control system design and flying quality design.

交叉耦合运动严重是直升机飞行品质较差的主要原因之一，然而现有直升机飞行力学模型不能正确预测交叉耦合运动规律，不仅严重增加了飞行控制系统设计的困难性和调试周期，并最终损害直升机的飞行品质。本项目以直升机旋翼交叉耦合运动为研究对象，通过特殊地面试验手段和理论分析方法，系统研究旋翼尾涡结构畸变形式、尾涡粘性耗散、气动载荷非定常效应、旋翼桨叶弹性变形等多种因素及其耦合作用对机动飞行中交叉耦合运动的影响规律，阐明交叉耦合运动产生的机理，揭示飞行状态参数对交叉耦合运动的影响规律，为直升机先进飞行控制律设计和飞行品质设计提供理论基础。

直升机旋翼的工作特点决定了旋翼桨尖轨迹平面具有较强的俯仰/滚转交叉耦合运动，而旋翼俯仰和滚转运动不纯是直升机飞行品较差的主要原因之一。然而，现有直升机理论对旋翼俯仰/滚转交叉耦合运动仍然认识不充分，难以准确预测俯仰/滚转交叉耦合运动特性，因此摸清旋翼俯仰/滚转交叉耦合运动产生机理和变化规律对于直升机飞行动力学建模、飞行控制律设计以及飞行品质评估具有重要意义。本项目以旋翼俯仰/滚转交叉耦合运动为研究对象，开展相关了试验和理论研究，具体研究内容和结果如下：（1）基于模型旋翼，开展了指令俯仰角速率运动下俯仰/滚转交叉耦合运动试验研究，测量了表征交叉耦合运动的滚转力矩响应，并获得了不同旋翼拉力系数、俯仰角速率以及桨叶挥舞约束刚度下的滚转力矩响应数据，为理论研究提供了试验数据支持；（2）基于粘性涡粒子方法、Leishman-Beddoes非定常气动模型、有限单元弹性桨叶模型建立了气动、结构耦合的旋翼动力学模型，通过试验数据验证表明，该模型可准确预测俯仰/滚转交叉耦合响应；（3）综合试验和理论分析结果，研究了旋翼尾迹畸变与耗散、气动载荷非定常效应、桨叶弹性变形、挥舞约束刚度等因素对俯仰/滚转交叉耦合运动的作用机理和规律，研究结果表明，旋翼尾迹畸变和桨叶挥舞固有频率是决定交叉耦合运动方向和幅值的主要因素，其次是桨叶扭转和气动载荷非定常效应，其他因素基本可忽略；（4）提出了7运动自由度涡环单元概念，建立了基于多自由度涡环单元的旋翼动态尾迹模型，与已有模型相比，该模型不仅可准确计算俯仰/滚转运动下旋翼尾迹畸变和诱导速度分布，且计算效率高，通过飞行试验数据，验证了该模型预测直升机俯仰/滚转交叉耦合响应的准确性。