变转速刚性旋翼载荷控制研究

As the key technique of long endurance and high speed helicopters, variable speed rigid rotors are one of the paramount and tough topics in helicopter area. High rotor loads are a typical impression of rigid rotors. The variation of rotor speed makes the excitation frequencies vary. How to control high loads of rigid rotors is a urgent topic to investigate. Embedded chordwise fluidlastic absorbers are applied to control the high loads to protect rotor blades and tranmission system from these high loads. The absorbers are designed to change the tuning frequency with the rotor speed. The high centrifugal force on the absorber is analyzed to investigate the effect of the force on the performance of the absorbers. A comprehensive rotor code is developed to analyze the dynamics of the coupled rotor-absorber system. Comprehensive parameteric analysis is conducted to investigate the peformance of the absorbers in different flight states. A rotor-absorbe test is conducted to verify the performance of loads control.

变转速刚性旋翼作为长航时及高速等先进直升机的关键技术是直升机领域研究的重点和难点之一。刚性旋翼不同于常规铰接式和摆振柔软旋翼，旋翼载荷水平明显较高。旋翼转速的变化，带来激振频率的变化，旋翼载荷状况进一步恶化。为了降低变转速刚性旋翼载荷，本项目在基于常转速刚性旋翼载荷控制的基础上，研究基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法。变频液弹吸振器根据旋翼转速的变化调节液弹吸振器的固有频率，达到能在不同转速下降低旋翼载荷的目的。在建立变频液弹吸振器动力学模型基础上，耦合旋翼系统动力学模型，建立其多体系统动力学模型，分析变频液弹吸振器在典型状态下（不同转速）的载荷控制能力。通过旋翼－吸振器载荷实验验证基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法的有效性。

旋翼转速变化会带来旋翼激振频率、桨叶固有频率变化以及加剧旋翼前后行侧气动环境不对称，进而带来变转速旋翼直升机载荷问题。为降低变转速刚性旋翼载荷，在旋翼桨叶挥舞和摆振方向加装液弹吸振器、在桨叶小拉杆上附加液弹隔振器，通过旋翼转速的变化带来的离心变化，驱动液弹装置中的平衡质量，改变调谐面积比，从而改变液弹装置的调谐频率，达到调谐频率可随旋翼转速变化的效果，进而达到抑制变转速刚性旋翼载荷的目的。建立了基于广义力形式的旋翼与液弹装置耦合系统动力学模型，旋翼动力学综合模型主要包括：中等变形梁模型模拟桨叶弹性变形间几何非线性；桨叶运动学模型；Pitt-Peters入流模型计算桨盘上方诱导速度；桨叶翼型剖面气动模型采用非线性准定常和Leishman-Beddoes非定常气动模型；前飞配平模型；机体气动模型；吸振器和隔振器动力学模型。分析表明，液弹装置可显著降低常规定转速旋翼直升机桨叶及小拉杆载荷，旋翼转速变化会显著降低液弹装置的吸振和隔振特性，变频液弹装置可有效降低变转速旋翼桨叶挥舞、摆振和小拉杆载荷。设计了相关模型旋翼和吸振器装置，并进行了相关的变转速旋翼载荷和模型旋翼吸振器系统动力学实验。通过该研究，一方面说明了载荷问题对变转速刚性旋翼设计的重要性，另一方面也给变转速刚性旋翼载荷控制提供了一种可供参考的方法。对变转速旋翼载荷问题提供了理论指导，具有重要的工程参考价值。