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想设计一架直升机?这是你必须先做的第一步——气动布局概谈

时间:2018-07-18 15:16来源:中国直升机 作者:中国直升机网


直升机特有的复杂的气动干扰
 
 
 

图——阿帕奇复杂的干扰流场
 
在直升机气动布局设计时,各部件相互气动干扰是要考虑的重要内容之一。在直升机研制史上,曾多次因为气动布局失误而导致研制工作的反复。

气动干扰主要是旋翼与机身(包括机身、动力舱、短翼等)的气动干扰,旋翼下洗流对平尾和垂尾及尾桨的干扰,尾桨与垂尾的干扰。

小速度时,旋翼下洗流对动力舱和短翼及机身产生“垂直增重”效应,即由于下洗流作用在机身等部件上时产生相应的阻力,从而减少了旋翼的拉力,一般在性能计算中,采用“垂直增重”系数对旋翼产生拉力做出修正。因此,在机身气动外形设计时,要充分考虑这一因素。下洗流作用在动力舱时,还会产生一种“迫振效应(又称回转颤振)”,导致机身强烈的振动,这在国外和国内都发生过。

旋翼下洗流对平尾的效率产生较大的影响,同时下洗流也是产生机身后段(包括平尾、垂尾)振动的重要原因之一,AH-64、SA365、EC-120直升机就曾因为这些原因,导致平尾和机身后段的重新设计。

垂尾对尾桨将产生“阻滞效应”,即处于垂尾一侧的尾桨,由于垂尾对尾桨进气产生一种阻滞作用,从而降低尾奖的效率。因此,在气动布局时要恰当地安排两者相互位置,避免或减少这种影响。

直升机气动干扰计算分析中的困难

 

图——直升机旋翼CFD流场图_NASA

一般来说,对上述部件间相互干扰,还很难采用计算分析方法确定,因此在考虑全机气动布局时,要对已有机型加以分析总结(因而目前分析手段实则是一种基于经验和统计数据的简化模型方法),以减少这种布局上的失误。

有的读者朋友可能会说——现在计算流体力学(CFD)不是搞得如火如荼吗?国产大飞机都能进行全场CFD模拟了,怎么直升机就不行吗?

是的!大飞机行,直升机就不行!其主要原因就在于直升机的旋翼,直升机的旋翼与常规空气螺旋桨的最大区别有两点:

第一点是——旋翼在旋转的同时,还存在变距运动、挥舞运动以及摆振运动,并且,三种运动之间还存在强耦合关系!
 
第二点是——旋翼的旋转平面与来流的方向几乎平行,这就导致了旋翼周期旋转的过程中,左右两侧的来流与旋转速度相反,这就导致了旋翼流场各处的雷诺数(表征流场中惯性力与粘性力关系的参数)等湍流特性都不一致,很难用一种统一的湍流模型表示出来;
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