论文摘要：基于非定常气动模型的共轴式直升机特殊操纵响应研究

共轴式直升机与单旋翼直升机相比具有结构紧凑，气动力对称，悬停及中低速飞行效率高，纵横向操纵耦合小等优点，国内外许多无人直升机采用了这种气动布局形式；由于上下旋翼气动干扰，共轴双旋翼的气动特性比单旋翼复杂得多。在单旋翼直升机飞行动力学的基础上，基于非定常气动模型，研究共轴双旋翼一些特殊操纵响应特性是共轴式直升机总体设计优化、结构动力学分析、飞行动力学建模的基础。 本文从在研共轴直升机的工程实际出发，以单旋翼直升机旋翼非定常气动特性研究的现有成果为基础，考虑共轴式直升机上下旋翼气动干扰的影响，分别从总距/航向操纵耦合特性，总距突增时上下旋翼的气动响应特性，高速前飞及总距突增时上下旋翼桨叶铰链力矩响应特性等三个方面入手，对共轴式直升机的这些特殊操纵响应进行了分析和研究。通过对计算结果进行分析，获得了一些重要结论，为共轴式直升机研究工作的进一步深入开展做了必要的理论探索。 本文所做的工作主要有以下几个方面： 1．调研了单旋翼直升机旋翼非定常气动特性，及共轴双旋翼气动干扰特性的研究现状。探讨了借鉴单旋翼现有成果，计入上下旋翼气动干扰的影响，研究共轴式直升机特殊操纵响应特性的可行性。 2．针对单副旋翼，建立了孤立旋翼的非定常气动模型。充分考虑从附面流分离到深度失速各个阶段非定常响应的特点，以Leishman-Beddoes经典模型为基础，建立了二维翼型的非定常气动模型；诱导入流模型则采用了能够反映诱导速度动态响应特性的Pitt-Peters入流模型和Peters-He有限状态尾迹模型；针对在研共轴式直升机的桨毂形式，考虑机体状态变化的影响，建立了带预锥的跷跷板式旋翼的挥舞动力学方程。 3．共轴式直升机上下旋翼气动干扰是其区别于单旋翼的最显著特征，为了充分了解双旋翼的干扰特性，并为解决不同问题提供针对性的模型，分别从固定尾迹模型，自由尾迹模型，计入“干扰因子”的动态入流模型三种方法入手对共轴式直升机的气动干扰特性进行了分析和研究，通过算例对比，分析了各个模型的优缺点及解决不同问题时的适用性。 4．针对共轴式直升机由于总距/航向的严重耦合，使得飞行状态不稳，操纵困难的工程实际问题，以自由尾迹模型为基础，分别计算并分析了共轴式直升机全差动和半差动两种航向控制方式的总距/航向耦合特性，得到了悬停状态航向与总距操纵时上下旋翼的总距配合曲线，总结了解耦控制的特点并根据数值计算结果拟合出了近似的解耦函数。 5．以单副旋翼非定常气动模型为基础，计入干扰因子到动态入流模型，建立了共轴双旋翼非定常气动模型。以此为基础，计算了总距突增时在研共轴式直升机上下旋翼升力和扭矩的非定常气动响应特性，分析了共轴式直升机和单旋翼直升机旋翼非定常响应的异同，并着重分析和比较了全差动和半差动两种航向控制方式的操纵响应差异。 6．以单旋翼直升机旋翼桨叶铰链力矩的经典工程算法为基础，计入气动干扰的影响，建立了共轴式直升机旋翼桨叶铰链力矩的计算模型；考虑高速前飞和总距突增时旋翼桨叶的非定常气动环境，建立了反映共轴式直升机气动干扰特点的旋翼非定常气动模型；出于简化桨叶结构模型的考虑，采用模态叠加法估算桨叶挥舞向变形量。以在研共轴式直升机为算例，分别计算并分析了高速前飞和总距突增时上下旋翼桨叶铰链力矩的响应特性，对试飞中出现的相关问题给予了解释，并提出了解决方案。

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