变直径旋翼直升机飞行性能研究

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摘要：为了研究旋翼直径变化对直升机性能的提升作用，将旋翼动力学综合模型与机身模型相耦合，采用前飞配平方法计算稳态时旋翼操纵量和机身姿态角，从而计算直升机需用功率。通过研究直升机功率与旋翼半径、前飞速度、直升机起飞重量以及飞行高度之间的关系来确定直升机需用功率的降低幅度，同时也分析了旋翼桨距和机体倾斜角随旋翼半径和前飞速度的变化趋势。在中高速飞行时，特别是高速飞行时，旋翼半径的变化可以显著地提升直升机的性能。当飞行速度为200 km/h、旋翼半径减小20%，需用功率可降低37.6%。随着飞行高度的不断增加。在低速到中速飞行时直升机功率减小幅度会减小，在高速时功率减小幅度会增大。旋翼总距和纵横向周期变距随旋翼半径减少而增加，机体纵横向倾斜角随半径减小而减小。

关键词：直升机；旋翼；变半径；性能；配平

中图分类号：V212.5 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）02-0252-07

直升机与固定翼飞机相比最显著的特征就是较小的前飞速度、较短的航程、较低的升限以及较短的续航时间，因此如何提高直升机的飞行性能是一项非常具有挑战性但也非常有价值的研究。直升机飞行状态的改变（前飞速度、飞行高度和起飞重量）。将使旋翼工作在不同的升阻比状态，而通过优化不同飞行状态时的升阻比，就可以降低直升机需用功率，进而提升直升机性能。依据旋翼变体技术，在不同飞行状态时，改变旋翼参数是一种可行且有效的提高直升机飞行性能的方法。如何确定选取哪个参数，并通过尽可能小的该参数变化以获得尽可能大的性能提升，是减小该技术实现难度的难题之一。通常我们习惯于将直升机需用功率表示为量纲为一的形式，如将其表示为有量纲形式时，可看出旋翼参数中旋翼直径对直升机需用功率影响最大，旋翼型阻功率中一项与旋翼直径成4次方关系。也就是说，旋翼直径可能是用来提升直升机飞行性能最为合适的变化参数。

通过改变旋翼直径来提升旋翼飞行器的性能并不是一个新的概念。在19世纪60年代后期，Segel等人描述了伸缩旋翼飞机变直径旋翼概念，并且阐述了其在高速以及低桨盘载荷垂直起降构型飞行器中对性能提升的益处。Scott比较了几种高速飞行旋翼飞行器构型，结果表明变直径倾转旋翼是其中最好的构型之一。Fradenburgh等人指出，可变直径旋翼的倾转旋翼飞行器对于更好地将直升机与飞机的优点结合起来有重要意义。Davis等人进行了变直径倾转旋翼飞行器的气动优化设计，结果表明优化负扭转和弦长能显著地改善其性能。Prabhakar等人提出了运用离心力驱动的可变直径旋翼新概念，当旋翼转速从0增加到245 r/min时，利用增加的离心力的作用，旋翼桨叶长度能够增加3.7英寸。Mistry等人研究了变直径旋翼和变转速旋翼对直升机性能的影响，变转速旋翼与变直径旋翼结合起来比采用一种改变方式能获得更大的性能提升。Kang等人对中型通用直升机的巡航性能进行了分析并探究了几种旋翼变体技术，这些旋翼变体概念均可用于提升直升机性能，从结论中可以看出，一些旋翼变体技术可获得比变直径旋翼更大的性能提升（大约3%），这似乎低估了旋翼变直径技术对直升机性能的提升作用。

本文主要研究通过改变旋翼直径来提升直升机性能。先将旋翼综合动力学模型与机身模型相耦合，采用前飞配平方法获得稳态时旋翼操纵量和机身姿态角，进而得到直升机需用功率。然后探究旋翼直径变化对提高直升机性能的影响。最后，探讨直升机起飞重量、飞行高度和前飞速度等参数对直升机性能的提升作用。