高原環(huán)境對(duì)直升機(jī)旋翼性能的影響分析

文 | 中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司 蔡 偉 曾衛(wèi)東 吳奎發(fā)

高原環(huán)境對(duì)直升機(jī)旋翼性能的影響分析

Effect of Plateau Environment on Helicopter Rotor Performance

文 | 中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司 蔡 偉 曾衛(wèi)東 吳奎發(fā)

針對(duì)高原環(huán)境直升機(jī)旋翼性能的估算，建立了一個(gè)基于自由渦理論的旋翼尾跡模型，并推導(dǎo)了旋翼拉力和功率的計(jì)算方法。以UH-60黑鷹直升機(jī)為算例，分別計(jì)算了其在海平面及高原環(huán)境的旋翼性能，探討了海拔高度對(duì)直升機(jī)旋翼性能的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，高原環(huán)境的氣候條件對(duì)直升機(jī)旋翼性能有顯著影響，旋翼拉力較海平面環(huán)境減小約30%。

Abstract:Based on the free-vortex theory, a rotor wake model is developed in order to evaluate the rotor performance in plateau environment. Besides that, the calculation method of rotor thrust and rotor power are given. In this paper the UH-60 Black Hawk helicopter is chosen as the example to predict the rotor performance in sea level environment and plateau environment, and also the effect of altitudes on rotor performance is discussed. The results show that plateau environment has remarkable effect on rotor performance and about 30 percent thrust is decreased in plateau environment.

直升機(jī)；高原環(huán)境；旋翼性能；自由渦

Key words:helicopter；plateau environment；rotor performance；free-vortex.

引言

直升機(jī)是一種依靠旋翼為主要升力面和操縱面的飛行器，具有不需跑道便可起降的獨(dú)特性能。我國(guó)地形復(fù)雜，雪災(zāi)、地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，雪域高原地帶尤為顯著，直升機(jī)以其垂直起降、空中懸停等優(yōu)勢(shì)在緊急救援任務(wù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，高原環(huán)境具有溫差大、氣壓低、空氣密度低等特點(diǎn)[1]，對(duì)直升機(jī)的飛行性能提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。以旋翼性能為例，由于大氣雷諾數(shù)及密度的降低，旋翼槳葉遭遇的氣流環(huán)境更趨惡化，其有效升力降低明顯，某些飛行狀態(tài)下還會(huì)伴隨槳葉氣流分離引起的失速現(xiàn)象[2]。因而，通過(guò)考察直升機(jī)旋翼性能在高原環(huán)境的變化規(guī)律，探討建立適合于高原環(huán)境直升機(jī)飛行性能的研究方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

不論直升機(jī)作定常還是非定常飛行，其旋翼氣流環(huán)境在高原地帶都將發(fā)生顯著變化，尾跡結(jié)構(gòu)亦出現(xiàn)明顯的不同，這給估算高原環(huán)境下的旋翼性能帶來(lái)較大困難。在國(guó)外，關(guān)于直升機(jī)旋翼的試驗(yàn)和研究主要集中在低海拔高度的流場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行，針對(duì)高原環(huán)境旋翼性能研究的文章并不多。而在國(guó)內(nèi)，已有學(xué)者關(guān)注高原環(huán)境對(duì)機(jī)械、產(chǎn)品的性能影響規(guī)律，例如，石愛(ài)勤等人[3]對(duì)高原環(huán)境工程機(jī)械適應(yīng)性技術(shù)進(jìn)行了研究，但針對(duì)直升機(jī)旋翼性能在高原環(huán)境的研究文章鮮見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表。

本文假定直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備足夠，擬采用自由渦理論模擬槳葉空氣動(dòng)力的作用，分別對(duì)UH-60黑鷹直升機(jī)在低海拔及高海拔地域的旋翼性能開(kāi)展計(jì)算和分析，以期得出高原環(huán)境對(duì)直升機(jī)旋翼性能的影響規(guī)律。

1 尾跡模型及數(shù)值求解

開(kāi)展旋翼性能計(jì)算的關(guān)鍵在于捕捉旋翼尾跡結(jié)構(gòu)[4]，而懸停旋翼下方復(fù)雜的流場(chǎng)環(huán)境及尾跡間的相互干擾使得計(jì)算旋翼尾跡結(jié)構(gòu)成為一個(gè)困難。本文為計(jì)入旋翼尾跡劇烈的收縮效應(yīng)，擬建立一個(gè)當(dāng)今應(yīng)用較多的卷起槳尖渦模型。槳葉后緣拖出的自由渦以當(dāng)?shù)厮俣认蛳掠我苿?dòng)，其中，槳尖渦的卷起服從Betz卷起規(guī)則[5]。

將整個(gè)旋翼尾跡分為近尾跡和遠(yuǎn)尾跡，近尾跡由槳葉尾隨渦構(gòu)成，遠(yuǎn)尾跡為向下游移動(dòng)的槳尖渦，如圖1所示。旋翼空間誘導(dǎo)速度來(lái)自槳葉附著渦（圖1中未示出）、尾隨渦及槳尖渦的共同貢獻(xiàn)，計(jì)算的依據(jù)是畢奧-薩發(fā)爾定理。

將單根尾跡渦線的控制方程寫(xiě)作

2 旋翼性能的計(jì)算

在對(duì)旋翼尾跡進(jìn)行求解之后，便可逐步計(jì)算旋翼流場(chǎng)及槳葉升力，進(jìn)而確定不同海拔高度條件下的旋翼拉力和功率。其中，旋翼消耗的功率包括誘導(dǎo)功率Pi和型阻功率Po，即

由Joukowski定律，槳葉單位長(zhǎng)度上的升力為

式中，t為空氣密度，Wi是剖面來(lái)流速度，Ci是槳葉微元的附著環(huán)量。

由此，將各剖面升力分解得到翼型拉力并沿展向求和，可得到旋翼的拉力。將剖面升力與到旋翼軸的向量做矢積，并取平行于旋翼軸的矢積分量進(jìn)行求和，便得到旋翼消耗的誘導(dǎo)功率系數(shù)。

至于型阻功率的求解，需要借助于二元翼型數(shù)據(jù)表，并查找相應(yīng)的翼型阻力系數(shù)。這樣就可得到槳葉剖面型阻，從而確定旋翼的型阻功率系數(shù)。

表 1 不同旋翼總距時(shí)的旋翼拉力對(duì)比

3 算例及分析

以UH-60黑鷹直升機(jī)為算例，分別計(jì)算其在不同海拔條件下的旋翼性能，并針對(duì)高原環(huán)境下旋翼性能下降幅度進(jìn)行分析。

采用本文建立的旋翼性能計(jì)算方法，計(jì)算不同旋翼總距時(shí)的旋翼拉力，將結(jié)果示于表1中。計(jì)算過(guò)程中，低海拔地域?yàn)楹Ｆ矫娓叨?，而高海拔則選擇4000米高原環(huán)境。槳葉翼型SC1095的型阻系數(shù)可通過(guò)查詢文獻(xiàn)[7]中的數(shù)據(jù)得到。

從表1的計(jì)算結(jié)果中可清楚地看到，隨著旋翼總距角的增大（旋翼拉力系數(shù)增大），在海平面及高原環(huán)境下旋翼拉力均呈增大趨勢(shì)，但高原環(huán)境的旋翼拉力增大量小于海平面環(huán)境。并且，在同一旋翼總距條件下，高原環(huán)境的旋翼拉力顯著低于海平面環(huán)境，約降低30%。這意味著，直升機(jī)若在高原環(huán)境飛行，需要更多的發(fā)動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備。

為了更直觀地表達(dá)不同海拔高度對(duì)旋翼性能的影響規(guī)律，對(duì)兩種海拔條件下的直升機(jī)旋翼功率進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果示于圖2中。

圖2中的計(jì)算數(shù)據(jù)表明，在高原環(huán)境下直升機(jī)旋翼功率顯著低于海平面環(huán)境，約減小33%。但隨著旋翼總距角的增加，旋翼功率的增大趨勢(shì)是一致的。從圖中還可看到，當(dāng)拉力系數(shù)較大時(shí)，旋翼功率的增大趨勢(shì)更加明顯。若在高原環(huán)境下增大總距角，則需進(jìn)一步提高直升機(jī)的可用功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的青藏高原具有豐富的資源儲(chǔ)備和重要的戰(zhàn)略地位，直升機(jī)以其無(wú)需跑道、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)在該地域的搶險(xiǎn)救災(zāi)、物資運(yùn)輸、反恐維穩(wěn)等行動(dòng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。開(kāi)展高原環(huán)境直升機(jī)旋翼性能的研究、探討旋翼性能在高原環(huán)境下的變化規(guī)律，以及摸索提升直升機(jī)高原性能的方法，是本文的立意所在。以直升機(jī)旋翼為研究對(duì)象，本文分別進(jìn)行了海平面及高原環(huán)境旋翼性能的計(jì)算，討論了海拔高度對(duì)直升機(jī)旋翼性能的影響規(guī)律?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：

4.1 受氣壓、大氣密度變化等因素的影響，高原環(huán)境下直升機(jī)旋翼性能顯著下降；

4.2 隨旋翼總距角的增大，高原環(huán)境旋翼拉力較海平面環(huán)境增加緩慢；在同一總距條件下，高原環(huán)境旋翼拉力較海平面環(huán)境約減小30%；

4.3 高原環(huán)境的旋翼功率顯著低于海平面環(huán)境；在大槳距條件下，旋翼功率的增加趨勢(shì)更加明顯；

4.4 直升機(jī)在高原環(huán)境執(zhí)行飛行任務(wù)，需發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠功率儲(chǔ)備。

[1] 德慶措姆，索朗旦西，西藏氣候的初步分析[J]，西藏科技，2002，112（8）：49-51。

[2] Harris F D: Rotor Wing Aerodynamics: Historical Perspectives and Important Issues, Presented at the American Helicopter Society National Specialists’ meeting on Aerodynamics and Aeroacoustics, 1987.

[3] 石愛(ài)勤，羅國(guó)璽，靳生盛，高原環(huán)境下工程機(jī)械使用技術(shù)[J], 青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（4）：75-91。

[4] Landgrebe A J, Cheney M C: Rotor Wakes - Key to Performance

Predictions[R], AGARD CPP- 111, 1972.

[5] Rossow V J: On the Inviscid Rolled-Up Structure of Lift Generated Vortices [J], Journal of Aircraft, 1973, 10(11):647-650.

[6] 趙景根： 直升機(jī)旋翼/機(jī)身氣動(dòng)干擾的研究[D]， 南京，南京航空航天大學(xué)，2001。

[7] Bousman W. G.: Aerodynamic Characteristics of SC1095 and SC1094R8 Airfoils[R], NASA/TP-2003-212265, 2003.

蔡偉（1983-），男，江西浮梁人，工程師，工學(xué)碩士，2009年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)。主要研究方向：直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)及直升機(jī)總體設(shè)計(jì)。