直升机空气动力学现状和发展趋势

直升机空气动力学现状

二级学院：航空维修工程学院

班级：航修六班

学号：14504604

姓名：李达伦

日期：2015年6月30日

直升机空气动力学现状

（航修六班14504604 李达伦）

摘要：直升机空气动力学是直升机技术研究及型号研制的基础性学科和先进学

科，本文概述了国外的直升机气动理论与方法研究、基于气动理论和方法的应用基础研究、直升机气动试验技术的研究现状。

关键词：空气动力学；直升机

Abstract：Aerodynamics of helicopter is a helicopter technological research and model development of basic disciplines and advanced subject. This paper summarizes the foreign helicopters gas dynamic theory and method of research, based on the aerodynamic theory and methods of applied basic research, helicopter aerodynamic test technology research status.

Key word：Air dynamics; helicopter

1 前言

飞行器的设计和研制必须以其空气动力学为主要依据，这是飞行器研制区别

于其它武器平台的典型特征。直升机以旋翼作为主要的升力面、推力面和操纵面，

这种独特的构型和旋翼驱动方式，更使其气动特征具有复杂的非定常特征，其气

动分析和设计技术固定翼飞行器更具挑战性。

直升机气动研究是指认识直升机与空气之间作用规律、解释直升机飞行原

理、获取提升直升机飞行能力和效率的新知识、新原理、新方法的研究活动，其

主要任务是获得直升机的空气动力学特性[1]。由于直升机气动特征性直接决定了

型号飞行性能、振动特性、噪声水平，且是结构设计、寿命评估等的直接依据，

因此直升机气动研究是直升机技术研究的重要方面，更是型号研制的基础。尤其

是要实现舒适、安全、便利、快捷的直升机型号研制目标，直升机空气动力学将

体现其核心推动作用。

2 内容和范围

直升机空气动力学专业发展涵盖的内容和范围主要有直升机气动理论与方

法的研究、基于气动原理的应用基础研究以及气动特性试验研究三大内容。

直升机气动理论与方法的研究重点关注旋翼与周围空气相互作用现象及机

理的分析模型和方法，通过对气动理论和方法的研究，实现对直升机及其流场的

深入了解，以准确地计算其空气动力学特性。

气动应用研究是指基于气动理论和方法，以直升机研制为目标所展开的应用

基础研究，涵盖气动特性、气动弹性、气动噪声、结冰模拟、流动控制等应用领

域，还包括气动原理结合飞行原理的直升机飞行力学研究。气动应用研究通过开发先进的直升机设计和分析工具，为型号研制提供设计依据，获取目标弹性最优的气动外形，提炼新的先进飞行器设计思路和概念，以研制符合使用需求的先进直升机。

直升机气动特性试验包括针对直升机相关的验证试验、针对直升机部件或全机气动特性分析、校核及验证试验，以及针对直升机气动试验技术本身的技术基础研究和应用研究。

3 国内外发展现状

国外在直升机空气动力学领域开展了大量的研究工作，并在某些技术领域取得了突破性进展，主要表现在以下三个方面

3.1 直升机气动理论与方法

直升机空气动力学的关键和基础是旋翼空气动力学，对于旋翼气动理论和方法的研究工作，在当前及未来很长一段时间内将主要集中在自由尾迹方法和旋翼CFD方法的研究上。在旋翼自由尾迹研究方面，目前国外构建了以松弛尾迹求解准定常气动特性和时间推进方法分析非定常气动特性的两大计算体系，并逐步引入桨叶弹性影响分析旋翼的气动弹性响应特性[2]。在旋翼CFD研究方面，由于直升机旋翼流场远比固定翼的复杂，旋翼CFD的发展比固定翼CFD的发展缓慢，国外对旋翼CFD方法的研究经历了从简单到复杂的四个阶段，即小扰动位势方程[3]、全位势方程[4]、Euler方程[5]和Navier-Stokes方程[6]阶段，但旋翼CFD 方法的研究离工程实用阶段还有较长的路要走。

3.2 基于气动理论和方法的应用基础研究

由于直升机尤其是旋翼气动理论的发展，愈来愈细致的旋翼气动模型得以发展，并融合直升机各个子模型编制成直升机综合分析软件进行各种理论分析，比如：2GCHAS、CAMRAD系列\FLIGHTLAB、UMARC、HOST等。

基于先进的气动分析方法和工具，开展了大量的应用研究，取得了一系列成果，以旋翼气动设计、结冰模拟、噪声控制、流动控制及飞行力学等方面为例，

说明当前直升机气动应用基础研究方面的现状。

直升机旋翼的气动性能取决于翼型和桨叶气动外形。法国在20世纪70年代研究发展了OA2和OA3翼型系列，之后又继续研究发展了OA4、OA5翼型系列，OA4比OA3的最大升力有明显提高，OA5则扩展了上翼面层流范围，在最大升力稍有降低的情况下阻力系数比OA3减少了18%，比OA4减少了20%。同时，俄国、美国、德国和英国等也大量开展了新的旋翼翼型研究，并应用于各自的直升机型号。在桨叶气动外形设计方面，桨尖形状对旋翼气动特性的影响研究已成为直升机空气动力学研究的热点，EC-135、AH-64和S-92等一系列先进直升机已采用了后掠、后掠尖削或后掠下反桨尖，新型桨尖在直升机上的应用已经成为发展趋势[7]。当前，美国、法国等先进国家正在着手将旋翼气动性能与噪声结合起来，采用优化方法进行桨叶气动外形设计，并且已取得较大进展。

在国外，随着民用直升机的普及，直升机噪声问题越来越受到人们的重视，对降噪有十分迫切的需求，并着手对直升机的噪声问题[8]进行了广泛的研究。列如：美国NASA对直升机的降噪措施进行了较为详细的研究，也提出了一些新型的降噪措施，列如：调整旋翼桨叶间隔和X力控制方案。

在结冰模拟和分析方面，国外针对固定翼的研究开展较多，在针对固定翼结冰表面的周围流场计算、过冷水滴的运动的取值模拟、结冰过程的仿真分析等研究都取得了很大进展，但是对于复杂的旋翼结冰数值模拟研究开展的并不多，仍处于发展阶段。

在流动控制[9]研究方面，还处于探索阶段，主要集中在二维翼型的研究，极少有三维旋翼流动控制方面的研究成果公开发表。桨叶前缘附近法向吹/吸气、零质量射流等一系列流动控制技术已开展研究，表明流动主动控制在直升机旋翼流动控制方面具有很大的发展潜力。

直升机飞行力学研究核心是代表直升机运动特性的飞行力学数学仿真模型。近年来，国外大部分新发展的飞行动力学模型开始采用弹性桨叶模型，并已尝试将自由尾迹分析作为旋翼入流模型引入飞行动力学建模，但由于数值稳定性及计算量较大等问题，还未能用于实时飞行仿真研究。由于直升机飞行力学研究太多用经典的气动模型，国外对飞行力学的研究相对成熟，但在一些瞬态响应的预测方面与实际的飞行验证还有一定差距。同事，国外从20世纪70年代末期开始，对系统辨识出直升机的气动导数和操纵导数，从而得到基于飞行试验数据分析结果的飞行动力学模型，目前这一技能已成为新机研制和改型设计中的重要工具。随着直升机应用领域的拓宽和技术的发展，直升机的设计和评价指标，也从主要着眼于好的飞行性能和可靠的强度。扩展到舒适性、可靠性任务效能，最新的航空设计标准把飞行品质作为主要设计指标之一。