侧风与直升机悬停配平特性的影响

侧风对直升机悬停配平特性的影响

（南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016）

摘要：本文研究了侧风对直升机悬停配平特性的影响。首先确定研究所用的风速

方向，根据研究对象建立侧风条件下的直升机飞行动力学模型；然后对在不同风速

下对样例直升机进行悬停配平计算，最后运用绘图软件绘制不同风速大小和风速方

向下的配平结果变化图，并以此为根据，分析侧风对直升机悬停配平特性的影响。

一、引言

直升机是在大气中飞行的旋翼飞行器，必须借助相对空气运动产生的空气动力飞行，因此其飞行特性必然会受风这一空气运动特性的影响。然而一般情况下，我们计算和比较直升机飞行性能都是在无风的条件下进行的，没有考虑到实际飞行环境中风的存在，所获得的结果也不够精确。风对直升机飞行性能的影响是很复杂的，按其随时间和空间的变化情况，风可分为常值风和变化风，变化风中的风切变、大气紊流和离散突风都会威胁直升机的飞行安全，而目前已有的变化风对直升机飞行特性的影响大多没有考虑风速方向的变化，显然是不够精确的。军用直升机飞行品质规范也有规定，直升机应该可以在驾驶员操纵量较小的情况下，在小于56km/h的相对于航向任意方向的风速中悬停。研究变化风（风切变、大气紊流及离散突风）风向变化对直升机飞行特性的影响难度较大，因此，有必要先研究常值风风向变化对直升机飞行特性的影响，为研究更复杂的风切变、大气紊流和离散突风风向变化对直升机飞行特性的影响提供基础。

本文研究常值风风向变化对直升机悬停配平特性的影响。由于目前风洞试验获得的数据资料还不够充分，研究航向360°范围内风对直升机飞行特性的影响不太现实，本文仅研究与直升机航向呈±90°范围内不同方向常值风对直升机悬停配平特性的影响。在建立侧风条件下的直升机飞行动力学模型的基础上，进行样例直升机不同风速下的悬停配平计算，并通过配平结果分析不同方向侧风对直升机悬停配平特性的影响。

二、风向的定义和选取

直升机相对空气的速度A V ，风速W V 以及直升机相对地面的速度V 都是矢量，图1所示的速度三角形描述了三者之间的关系。

A

图1 速度三角形

由图1可以看出，风速的大小和方向都会影响直升机的飞行特性，军用直升机飞行品质规范也有规定，直升机应该可以在驾驶员操纵量较小的情况下，在速度小于56km/h 的相对于航向任意方向的风速中悬停。为方便研究，我们定义风向如图2所示。

3060

60

30

图2 相对于直升机航向的风向

图中Kd x ，Kd y 为直升机航向坐标在地轴系的投影，箭头表示风向，定义风速方向与Kd x 争相的夹角为χ（右侧风时χ为正，）则风速W V 在Kd x ，Kd y 上的分量为：

cos W W u V χ=- sin W W v V χ=- （1）

三、侧风条件下的直升机飞行动力学模型

直升机相对空气的速度在地轴系的分量为,,a a a u v w ，则其在侧风条件下对地速度

,,u v w 为

a W

a W

a u u u v v v w w =+=+= （2）

,,u v w 为对地速度在地轴系下的分量，将其转化到机体轴系有：

cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos B B B u u v v w w ϑψϑψ

ϑγϑψγψγϑψγψγϑγϑψγψ

γϑψγψ

γϑ-⎡⎤⎡

⎤⎡⎤

⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥

⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-⎣⎦⎣⎦⎣⎦

（3）

建立侧风条件下的UH60黑鹰直升机飞行动力学模型，这里我们认为旋翼桨叶为刚性，作用在旋翼上的力和力矩通过沿桨叶径向积分，沿方位角求和获得，不考虑尾桨周期变距，平尾和垂尾上的力和力矩是迎角和侧滑角的函数，建立机身空气动力学模型时所需阻力系数等风洞试验获得，它们是直升机飞行速度、迎角和侧滑角的函数。

①旋翼气动力模型

旋翼上的气动力和力矩在直升机悬停和前飞时都起着重要的作用，图3为桨轴系和旋翼速度轴系关系图

图3桨轴系和旋翼速度轴系关系图

角速度和速度在旋翼桨轴系下的分量为：

cos sin ()cos ()sin ()cos ()sin H H H B B G B H B B B H H B B H B H

H B B G B H B B G B H p p r q q

u u r x q z w p q y v v p z r y w w p x q y u r x q z δδδδδδ

=+==--++-=++=+--++ （4）

将其转换到旋翼速度轴系有：

sin cos sin cos sin cos sin cos CW CW CW CW CW H H W H W H H W H W H H

H H W H W H H W H W

u v u v u v w w p q p q p q ββββββββ=+=-+==+=-+ （5）

旋翼前进比

μ= （6）

旋翼入流比 0221/2

2()

H T

w C R λμλ=

-Ω+ （7） 旋翼诱导速度 (

)H

i w v R R

λ=-ΩΩ （8） 侧滑角 1221/2sin ()

H W H H v v u β-=+ （9）

确定以上参数后，就可以根据叶素理论，通过分析确定叶素上的基元力，然后对基元力沿桨叶积分。并取其对方位角的平均值，再乘以桨叶片数得到整个旋翼产生的拉力，后向力和侧向力，旋翼扭矩的确定方法与之基本相同，先确定基元扭矩，再通过积分获得旋翼扭矩。

②尾桨气动力模型

尾桨速度在体轴系的分量为：

TR

TR B B T B T TR TR B

B B T i v v p z r y w w q u y w u =+-=++= （10） 其中TR i w 为旋翼在尾桨处引起的下洗速度，由干扰系数和旋翼桨盘处的诱导速度决定。

将以上分量转换到尾桨轴系有：

cos sin cos sin C C

C TR TR

TR TR TR

TR TR TR u u v w K v K

w v K w K

==+=-+ （11）

尾桨角速度在尾桨轴系的分量为：

cos sin cos sin C C C TR B

TR B B

TR B B p p q r K q K r q K r K ==+=-+ （12） 将以上速度和角速度转换到尾桨速度轴系有：

sin cos sin cos sin cos sin cos CW C C C C

CW C C C C CW C C C C

CW C C C C

TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR u v u v u v p q p q p q ββββββββ=+=-+=+=-+ （13） K 为尾桨倾斜角。尾桨前进比和入流比为：