倾转机翼_旋翼机过渡姿态规划分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王宗辉()男博士研究生工程师:.通信作者:杨云军()男博士研究员博士生导师:.:./.倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析王宗辉杨云军(.中国航天空气动力技术研究院 北京 .彩虹无人机科技有限公司 北京)摘要:针对带有倾转机翼段的新构型倾转旋翼机复杂的倾转过渡变构型过程提出一种基于动量叶素理论的高速段倾转走廊边界计算方法 通过低速时机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制建立倾转过渡走廊计算模型对比了传统构型倾转旋翼机和倾转机翼/旋翼机的倾转过渡走廊差别 对 种构型倾转旋翼机倾转过渡状态下前飞速度、机身迎角、旋翼桨距角姿态进行了对比分析 结果表明:带有倾转机翼段的倾转机翼/旋翼机具有更狭窄的倾转走廊在短舱角 状态倾转机翼段占/展长的旋翼机相较于传统构型倾转旋翼机倾转速度边界从 /缩减到./倾转操纵难度加大在大于 短舱角的倾转前期同样的前飞速度和短舱倾转角状态下倾转机翼/旋翼机机身迎角降低约 旋翼桨距角增大 随着倾转过渡的完成 种构型倾转旋翼机姿态差异逐渐变小关键词:倾转旋翼机倾转机翼倾转走廊倾转过渡姿态动量叶素理论本文引用格式:王宗辉杨云军.倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析.兵器装备工程学报():.:./.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):././././.:引言倾转旋翼机是一种结合了传统直升机悬停能力和固定翼飞机高速巡航能力的先进飞行器它优异的飞行性能使其既可以作为伴随海军中大型水面舰艇或陆军野战部队的支援保障飞行平台又能成为复杂地形执行侦察打击任务的有力武器 倾转旋翼机在兼具 种传统构型飞行器优点的同时也存在诸多研发设计挑战 一方面倾转旋翼机在以直升机飞行模态下垂直起降或悬停时旋翼与固定翼之间产生复杂的气动干扰问题导致飞机悬停性能和爬升性能下降增加了倾转旋翼机的功率损耗 另一方面倾转旋翼机在进行悬停模态到固定翼模态转换过程中倾转旋翼、机身以及短舱存在复杂的姿态变换传统构型倾转旋翼机整段机翼固定于机身这种构型导致在直升机悬停模态下旋翼下洗气流会碰撞到固定翼表面产生“喷泉效应”从而使整个飞行器的悬停效率下降 为了提高倾转旋翼机悬停效率欧洲的 项目中提到将机翼部分分为与机身连接的固定段以及随短舱倾转的旋转段 虽然后续众多学者对带有倾转机翼段的倾转机翼/旋翼机进行了悬停状态气动效率分析计算但对它的倾转过渡姿态规划却少有研究倾转旋翼机的倾转过渡状态是一种带有复杂气动干扰的变构型飞行过程 在倾转过程中飞行器前飞速度、旋翼桨距角、机身与固定翼迎角都会随着短舱倾转角的变化而变化 为了实现平稳过渡飞行倾转旋翼的拉力与机翼的升阻力需要保证在不同角度和飞行速度工况下达到动态平衡 等建立了针对共轴旋翼无人机的多飞行状态纵向飞行平衡方法 等在 倾转旋翼机报告中列举了倾转过程飞行数据但没有关于倾转走廊方面的计算研究 曹芸芸将倾转走廊计算分为低速段和高速段根据前飞速度过低可能导致机翼失速以及前飞速度过高可能受到发动机功率限制等因素进行了倾转角度 速度包线计算 陈皓采用同样方法计算了传统构型倾转旋翼机倾转走廊并研究了匀速、加速前飞状态下飞行器倾转过程的非定常气动特性 左卓等将倾转走廊计算过程分为旋翼操纵段和非旋翼操纵段并通过发动机需用功率进行了校核 等建立了包含推进方向、空速和飞行高度组合的三维倾转走廊 目前对于传统构型倾转过渡状态气动干扰研究相对较多但对于倾转机翼/旋翼机倾转走廊研究较少并且对于倾转过程前飞速度、旋翼桨距角、机身迎角姿态规划研究更少本文中对机翼外段随短舱倾转的倾转机翼/旋翼机进行了倾转过渡状态的计算分析 提出一种基于动量叶素理论的高速段倾转角度 速度包线计算方法采用低速时机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制来确定倾转过渡走廊对比了传统构型倾转旋翼机和倾转机翼/旋翼机的倾转过渡走廊差别 最后对 种构型倾转旋翼机倾转过渡状态下前飞速度、机身迎角、旋翼桨距角姿态进行了规划分析 倾转走廊计算模型倾转旋翼机在倾转过渡过程中需要满足旋翼拉力水平分量能够平衡整个飞行器阻力同时机翼升力与旋翼拉力垂直分量需要保持与飞行器重力相等 在连续倾转过程中对应于每一个短舱倾角都存在一个前飞速度范围 一方面前飞速度过低可能导致机翼失速另一方面当前飞速度太高时则会受到发动机可用功率、动力稳定性等条件限制本文中倾转走廊低速段倾转角度 速度包线计算方法参考文献而高速段采用一种基于动量叶素理论计算旋翼限制功率的方法来确定最大前飞速度 在此基础上通过对传统构型计算模型的进一步改进来计算带有倾转机翼的新构型倾转旋翼机倾转走廊.低速段倾转走廊边界求低速段倾转走廊边界主要限制条件是整个倾转过程中机翼不能发生失速情况 由于旋翼系统纵向周期变距的存在倾转旋翼机即使在悬停状态发动机短舱仍可以向前倾转一定的角度 因此需要先求得倾转过程起点的最大前倾角()()()式()中:为发动机短舱角其中短舱与机体水平线垂直时为 平行时为 为旋翼桨盘后倒角、为旋翼桨毂中心相对飞行器重心得纵向和垂向距离 悬停时的最大后倒角可表示为()()()式()中:为旋翼的纵向周期变距 图 给出了飞行器倾转过渡过程的受力分析图图中 为机身前飞迎角图 倾转过程受力分析.倾转旋翼机在倾转过渡阶段保持力的平衡关系需要王宗辉等:倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析满足:()()()()求低速段倾转走廊边界流程:首先机身与固定翼部分采用机翼临界失速迎角状态并采用 方法求得此时机身与固定翼部分升阻力与前飞速度的关系并拟合函数表达式()、()根据纵向周期变距以及旋翼桨毂中心相对飞行器重心的位置利用式()、式()求得悬停状态最大前倾角确定需求的短舱倾转角 取值进而得到 最后将求得()、()、代入方程()、()联立求解得到该短舱倾转角下的最小速度 以及旋翼拉力 当机翼存在与短舱同时倾转段时()、()分别由 部分组成:()()()()()()()()其中:()、()为通过 方法拟合的机身与机翼固定段升阻力函数 倾转段机翼升阻力表示为 其中 为大气密度、分别为倾转机翼段在相应迎角下的升阻力系数 为倾转机翼段面积.高速段倾转走廊边界高速段倾转过程同样需要满足升力与重力、前飞拉力与阻力的平衡关系同时最大前飞速度还要受到旋翼前行桨叶压缩性、后行桨叶失速效应以及旋翼可用功率等限制 在本文中基于动量叶素理论提出一种可计算不同来流夹角下旋翼功率的方法来确定最大前飞速度不同来流夹角下的动量理论计算公式可以表示为 ()()()()叶素理论计算公式可以表示为 ()()()式()和式()中:为桨叶微段拉力 为桨叶微段功率 为径向位置 为桨叶旋转方位角为轴向诱导速度为斜入流在旋转平面上的入流分量 为斜入流在旋转轴向分量 为来流与旋翼旋转轴的夹角 为旋翼旋转角速度 为叶尖损失修正的普朗特近似函数 ()为实际来流角 为旋翼桨叶数量为微段桨叶弦长()()为来流速度 为斜入流在旋转平面上的入流垂直于桨叶分量为翼型升力系数为翼型阻力系数 令动量理论方程组与叶素理论方程组分别相等便可迭代求解旋翼在半径 处的诱导速度进而带回方程组求得旋翼总拉力 与功率 由上述动量叶素理论求得的功率 只包括了诱导功率、废阻功率和爬升功率考虑到旋翼诱导速度的非均匀性添加修正系数 .型阻功率 则可表示为()()式()中:为旋翼实度为旋翼等效阻力系数(即桨叶典型剖面的常数阻力系数值)为旋转半径 考虑到发动机功率损耗 实际旋翼总功率 应小于.其中 为发动机额定功率综上所述求高速段倾转角度 速度包线功率限制表达式可写为 .()根据发动机短舱倾转角的变化通过高速段倾转走廊边界计算模型可以求得倾转角度 速度包线需要注意的是高速段倾转角度 速度包线上发动机短舱角 对应的速度为中止速度倾转过程中飞行速度不能大于中止速度通过建立的低速段、高速段倾转走廊计算模型以文献倾转旋翼飞行器为例计算其倾转过渡走廊并用文献中仿真飞行轨迹进行对比校核对比结果如图 所示 通过对比可以发现本文中计算的倾转走廊飞行速度能够跟踪上轨迹剖面满足飞行器的速度安全性指标图 倾转走廊计算模型验证.倾转过程计算分析采用如图 的传统构型倾转旋翼机以及新构型倾转机翼/旋翼机分别计算了它们的倾转过渡走廊并选择一条倾转角 速度过渡方案对比分析了它们不同倾转角度及前飞速度下旋翼桨距角和机身迎角姿态变化 图 中 种构型倾转旋翼机外形差异在于倾转机翼/旋翼机为减少悬停垂直起降状态下旋翼与机翼面的气动干扰采用了部分机翼跟随短舱倾转方案 倾转旋翼机旋翼有 片高扭转桨叶旋翼轴可向后倾转 为扩大倾转走廊计算宽度襟副翼舵偏 其他主要参数如表 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 倾转旋翼机模型.表 倾转旋翼机主要参数 参数数值总质量限制/发动机短舱角/()旋翼半径/.旋翼转速/()机翼平均弦长/.机翼面积/.机翼安装角/()发动机额定功率/传动损失系数.机翼失速迎角/()新构型倾转旋翼机倾转机翼占比/、/.最小速度计算流程为了对比分析倾转机翼部分占比对倾转过渡走廊的影响分别计算了无倾转机翼构型、倾转/机翼构型 以及倾转/机翼构型 的过渡走廊已知机翼临界失速迎角为 通过 方法计算了迎角工况下不同前飞速度机身与固定段机翼整体升阻力然后与速度进行了二次函数拟合()、()结果如图 所示 倾转机翼部分升阻力则由、公式求得 其中、为机翼翼型在相应迎角下的升阻力系数其值同样由 计算得到图 机身与固定段机翼升阻力.通过式()可以求得悬停时最大前倾角为 然后依次取、将、代入式()、式()求得对应倾转角下的最小速度如图 所示图 低速段倾转角 速度包线.最大速度计算流程采用高速段倾转角度 速度包线模型计算最大速度时首先计算出机身加机翼在不同迎角()下的升阻力并拟合出关于速度 的函数如图、图带有倾转机翼构型采用与.节同样方法求得机身机翼总升阻力图 传统构型不同迎角升力分布.王宗辉等:倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析图 传统构型不同迎角阻力分布.由于纵向周期变距的原因求最大速度时短舱倾转角从开始采用同样的方法将倾转角代入式()、式()首先采用最小迎角 时机身与机翼升阻力拟合函数联立方程求得速度然后由式()可以求得此时的需用旋翼拉力代入动量叶素理论计算程序可以求得此时桨距角以及功率进而由校核式()检验功率是否在发动机限制功率范围内若满足功率要求则此时求得的速度即该倾转角度下的最大速度若不满足功率要求则依次递增代入其他迎角下的机身与机翼升阻力拟合函数直到最终功率在限制范围以内 最终求得的高速段倾转角 速度包线如图 所示图 高速段倾转角 速度包线.综合最大速度与最小速度可以得到 种构型倾转旋翼机的倾转过渡走廊如图 所示 通过倾转过渡走廊可以发现随着倾转机翼段占比增加倾转过渡走廊变窄飞行器倾转操纵难度加大安全性降低 由图 可以看出在倾转过渡前期倾转机翼对低速段速度边界影响较小而对高速段速度边界影响较大 在倾转过渡小于 的后期倾转机翼对低速段和高速段都具有较大影响在即将完成倾转过渡的 短舱角状态倾转/机翼构型前飞速度范围为 /倾转/机翼构型前飞速度范围为./传统构型前飞速度范围为 /考虑到倾转/机翼构型 倾转走廊过于狭窄飞行器实际飞行过程中操纵难度过大最终选择无倾转机翼构型 与倾转/机翼构型 进行倾转过程姿态规划对比图 倾转走廊分布.倾转过程姿态规划如图 规划路径所示根据倾转过渡走廊规划 构型与 构型倾转旋翼机短舱倾转角 速度路径如表 所示表 倾转过程速度规划 短舱倾转角/()前飞速度/()以 短舱倾转角为例假设纵向周期变距角取为 此时前飞速度 /机身迎角为 通过式()、式()得:()()如图 所示此时()、()取值与机身迎角()相关通过迭代可以分别求得此时 种构型机身前飞迎角 、由式()可以得到 种构型单边需用旋翼拉力 为 为 图 前飞迎角计算曲线.将旋翼拉力、前飞速度、倾转角度、机身迎角等参数代入兵 器 装 备 工 程 学 报:/./动量叶素理论计算模型通过牛顿迭代法求得对应工况下旋翼桨距角并通过功率限制式()进行校核 通过图 可以发现 构型桨距角.构型桨距角.图 旋翼桨距角计算曲线.采用同样的方法可以对其他倾转角过程进行迭代求解整个计算流程如图 所示 最终得到 构型与 构型倾转旋翼机倾转过程如表 所示通过倾转过程可以发现随着倾转旋翼机倾转过渡开始机身迎角以负迎角开始产生前飞拉力分量 随着倾转角度变小机身迎角和桨距角变大 在 时存在一段过渡阶段在该阶段由于垂直旋翼桨盘来流速度过小导致机身需要采取大迎角来分担垂直方向拉力 此时斜入流速度过大大扭转角旋翼桨叶容易发生失速因此桨距角相应小幅度降低 在短舱角大于 的倾转过渡前期带有倾转机翼段的 构型在相同的前飞速度以及短舱角状态下机身迎角相较于传统构型整体降低约 而旋翼桨距角增大 到 范围 构型相较于 构型随着倾转角变小差距越来越小这是因为在小倾转角的情况下倾转机翼部分以大迎角前飞导致阻力过大需要的桨距角同样变大以提高旋翼拉力 机身部分为降低整体阻力迎角也相应降低当倾转过渡过程接近完成时 种构型差异越来越小直到倾转完成倾转角为 时 种构型完全重合因此同样前飞速度下机身迎角和桨距角相同图 倾转过程规划流程图.表 倾转过程姿态 短舱角/()前飞速度/()构型机身迎角/()桨距角./()构型机身迎角/()桨距角./().王宗辉等:倾转机翼/旋翼机过渡姿态规划分析 结论针对倾转旋翼机复杂的倾转过渡状态提出一种计算倾转走廊的方法在低速段满足机翼不发生失速状态确定倾转角度 最小速度在高速段根据发动机功率限制采用斜入流动量叶素理论计算模型确定倾转角度 最大速度 对比了传统构型与倾转机翼/旋翼机的倾转走廊差异最后对 种构型倾转旋翼机进行了倾转过程姿态规划得到如下结论:)采用最大迎角机翼不失速限制与动量叶素理论求解功率限制相结合的方法能够求得较高精度的倾转走廊该方法既可以用于传统构型倾转旋翼机工程研究也可以用于带有倾转机翼等新构型倾转旋翼机的探索研究)带有倾转机翼的倾转机翼/旋翼机相较于传统构型倾转旋翼机具有更窄的倾转走廊并且随着倾转机翼占比的不断扩大倾转走廊越来越窄飞行器操纵性难度越来越大在倾转过渡前期倾转机翼对低速段速度边界影响较小而对高速段速度边界影响较大在倾转过渡小于 的后期倾转机翼对低速段和高速段都具有较大影响)在同样的前飞速度和倾转角飞行工况下带有倾转机翼的倾转机翼/旋翼机与传统构型倾转旋翼机倾转过程姿态不同带有倾转机翼构型更容易达到发动机功率最大限制在倾转前期与传统构型的机身迎角以及旋翼桨距角差距更大随着倾转过程接近完成 种构型的飞行姿态接近相同最后随着倾转角变为 种构型姿态达到完全一致参考文献:尹昱康王红州蔡恒欲等.倾转旋翼机的发展.兵器装备工程学报():.():./.(/):.:.:.孙凯军张碧辉付义伟等.悬停状态倾转旋翼机非定常气动干扰研究.航空工程进展():.():.:.():.:.:.李鹏.倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计研究.南京:南京航空航天大学.:.:.刘佳豪李高华王福新.倾转过渡状态旋翼 机翼气动干扰特性.航空学报():.():.史金帅方昕卓异张夏阳等.倾转旋翼机过渡状态飞行速度对气动性能的影响.飞行力学():.():.张铮陈仁良.倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰理论与试验.航空学报():./.():.():.:.:.曹芸芸.倾转旋翼飞行器飞行动力学数学建模方法研究.南京:南京航空航天大学.:.(下转第 页)兵 器 装 备 工 程 学 报:/./炮身管寿命研究.弹道学报():.():.:.:.朱建杰郑立评曹营修等.火炮身管内径测量现状及发展趋势.兵器装备工程学报():.():.李凯周诗超温鹏等.基于磁散射的线膛炮内表面磨损检测技术.兵工学报():.():.:.路卓江剑.火炮身管内膛表面疵病检测系统的设计与研究.兵器装备工程学报():.():.().:.():.():.刘欢刘朋科宁变芳等.火炮不同膛线结构与弹带作用力研究.兵器装备工程学报():.():.科学编辑 王浩伟 博士(北京航空航天大学 副研究员)责任编辑 胡君德(上接第 页)陈皓.倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟.南京:南京航空航天大学.:.左卓叶子青肖斯奇等.某型无人倾转旋翼机过渡轨迹设计技术研究.机械制造与自动化():.():./.():.:.高正陈仁良.直升机飞行动力学.北京:科学出版社:.:.:./.科学编辑 何诚 博士(南京森林警察学院 研究员)责任编辑 胡君德兵 器 装 备 工 程 学 报:/./