倾转旋翼机转换和飞机飞行模式下的气弹动力学研究

发布时间：2020-06-06 06:55

【摘要】：倾转旋翼机具有垂直起降、悬停和快速飞行等优点。倾转旋翼机的飞行模式包括直升机飞行模式、转换飞行模式和螺旋桨飞机飞行模式(简称飞机模式),除了具有直升机和螺旋桨飞机的动力学问题,在转换飞行和飞机飞行模式下,倾转旋翼机会产生强烈的振动问题和气弹稳定性问题。本文针对不同飞行模式的特点,建立倾转旋翼机气弹动力学分析模型,进行气弹动力学计算和分析。在转换飞行模式下,连续前倾的旋翼处在复杂的非定常入流和非定常气动力环境中,本文采用Peters-He非定常入流模型和ONERA非定常气动力模型,并进行旋翼尾迹弯曲修正,建立倾转旋翼气动力模型并进行压缩性和失速修正,模拟转换飞行时旋翼的入流;基于广义Hamilton原理,采用中等变形梁假设,对弹性桨叶和弹性机翼进行有限元建模,考虑各部件之间的惯性耦合和刚柔耦合,推导倾转旋翼机转换飞行模式下的结构动力学方程。在飞机飞行模式下,研究倾转旋翼机机体运动自由度以及全展结构气弹耦合稳定性问题,推导左右两侧旋翼/短舱/机翼系统动力学方程,并在机体重心处进行组装得到用于分析前飞气弹稳定性的全展结构动力学方程。根据所建立的非线性气弹耦合动力学方程,用MATLAB编制计算程序,进行配平和响应计算,并在平衡位置进行线化。采用Floquet理论对线化后的动力学方程进行稳定性求解,计算分析了转换和飞机飞行模式下动力学系统配平输入,各模态响应,各部件气动力和力矩,以及动力学系统稳定性等一系列问题。通过本文建模和计算分析,得出以下主要结论:(1)本文所建立的用于分析转换飞行模式下的倾转旋翼机半展结构气弹动力学模型和飞机飞行模式下的全展结构模型可以准确地计算倾转旋翼机转换和飞机飞行模式下气弹动力学特性,并描述不稳定现象发生时的运动机理。(2)对于倾转旋翼系统,当旋翼倾转时,若保持升力恒定,则总距随旋翼前倾而增大,如总距保持不变,桨盘升力随旋翼前倾而减小。(3)对于倾转旋翼机半展结构模型,旋翼非定常尾迹弯曲动态入流对旋翼升力和扭矩的影响明显,降低各挥舞模态的气动阻尼;由于考虑机翼的弹性变形,非定常尾迹弯曲动态入流对旋翼除升力和扭矩外的其余力和力矩影响相对于孤立旋翼模型较小;随着短舱前倾和前飞速度增加,旋翼轴向入流的量级开始远大于非定常诱导入流,非定常尾迹弯曲动态入流的影响逐渐减小。(4)倾转旋翼机在转换飞行模式下,前飞速度越大,旋翼倾转时失稳发生时所对应的前倾角越小,此时的失稳形式为机翼弦向变形失稳;在飞机飞行模式下,当前飞速度达到前飞临界失稳速度时,倾转旋翼机最终以机翼垂向变形的形式失稳。(5)当考虑机体刚性运动自由度后,降低了倾转旋翼机半展结构的临界失稳速度;全展结构的旋翼和机翼每个模态的运动均存在对称和反对称两种形式,并且每种形式对应的临界失稳速度不同;机翼刚度、短舱安装位置和短舱长度等参数对临界前飞速度会产生不同的影响。采用ONERA非定常气动力模型,改进了倾转旋翼机半展前飞稳定性模型,通过计算表明前飞过程中旋翼所处的非定常气动力环境不可忽略。本文的研究工作主要有以下创新点:(1)建立了倾转旋翼机转换和飞机飞行模式下的气弹动力学模型,系统深入地分析了不同飞行模式下倾转旋翼机的气弹动力学问题。(2)对转换飞行模式下倾转旋翼机的气弹稳定性问题进行深入研究,对转换飞行时的特有动力学问题,如非定常诱导入流、旋翼尾迹弯曲、非定常气动力和翼型压缩性、失速的影响进行研究。(3)对飞机飞行模式下倾转旋翼机的气弹稳定性问题,通过计算绘制旋翼桨毂中心运动轨迹,形象描述了旋翼/短舱/机翼耦合系统回转颤振前后的运动图像,并对传统的前飞稳定性模式进行改进。
【图文】：

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航空界预言倾转旋翼机将是未来 20 年的主要航空飞行器流机种，在民用方面将是解决机场阻塞问题的未来垂直/短距起.3 分别展示了 V-22 倾转旋翼机的直升机、转换以及飞机飞行模式机与螺旋桨飞机两种飞行能力，但存在着比这两种飞行器更为复直升机飞行模式下，存在地面共振，颤振和空中共振等气弹不稳，与螺旋桨飞机相比，，倾转旋翼机在高速轴向入流下，在桨盘平对旋翼轴安装点处产生较大的气动力矩，同时由于倾转旋翼机桨导致桨叶产生更明显的挥舞、摆振运动，并与短舱绕安装点处的，产生回转颤振和机翼变形失稳现象，其原理相对于螺旋桨飞机旋翼机在巡航时具有低噪声、小振动、大载重与低油耗等优点，也限制着倾转旋翼机最大前飞速度；当短舱倾转时，倾转旋翼机经时间短，但是旋翼处于复杂的非定常气动力和入流环境中，产问题。

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图 1.2 V-22 倾转旋翼机的转换飞行模式图 1.3 V-22 倾转旋翼机的飞机飞行模式旋翼机发展概况州的 Transcendental 飞机公司于 1947 年研制出首架倾转旋年 7 月在美国特拉华州卡斯尔市进行首飞，于同年 12 月成式进行前飞。该型号倾转旋翼机采用三片铰接式桨叶旋翼，
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V275.1;V215.3

【参考文献】