尾桨倾斜和可动平尾对直升机性能/品质影响及设计方法研究

摘要

本文对尾桨倾斜及可动平尾对直升机性能和品质影响及其设计方法展开了研究。
　　随着直升机的广泛应用,用户对直升机要求越来越高,不仅要求直升机要具有好的飞行性能,而且还要具有好的飞行品质。由于直升机具有飞行状态多、气动/操纵耦合性强等特点,使其设计工作远比固定翼飞行器复杂,此外在不同飞行状态下,直升机性能、品质指标之间还存在相互制约关系,进一步增加了直升机设计难度。常规直升机设计中,飞行性能是气动布局设计的主要设计指标,飞行品质指标则是通过后续直升机控制系统设计来保证,该设计方法不仅会增加直升机控制系统设计难度,而且往往使直升机控制系统设计只是起到补救作用,直升机飞行品质难以得到保障。如果能在直升机气动布局设计阶段就兼顾飞行性能和飞行品质指标,不仅能保障直升机具有好的飞行性能和飞行品质,而且可简化直升机控制系统设计,但也增加了直升机气动布局设计难度,对设计人员思维方式也提出挑战。本文基于该设计思想,对气动布局中两种形式:尾桨倾斜和可动平尾,系统地分析了其技术特点,并将两者运用到直升机气动布局设计中,充分发挥两者技术优势,有效改善了直升机裸机状态的飞行性能和飞行品质。本文主要工作如下:
　　建立适合于直升机飞行性能和飞行品质研究的飞行动力学模型。旋翼气动力模型中采用叶素理论及动态入流理论,机身气动力模型基于风洞实验数据,尾翼和尾桨气动力建模中利用风洞实验数据计入旋翼尾流和机身侧洗的干扰影响,使得模型具有较高的精度。利用UH60A样机验证了模型的准确性。
　　详细分析了尾桨倾斜对直升机不同飞行状态飞行性能和飞行品质的影响。悬停及过渡飞行状态下,尾桨倾斜可以降低直升机抬头姿态和直升机需用功率,提高直升机飞行性能;而在前飞状态,尾桨倾斜会加剧直升机低头俯仰姿态,降低直升机最大航程和最大航时等性能,还会加剧直升机气动、操纵耦合。
　　利用优化方法对尾桨倾斜角设计方法展开了研究。参数敏感性分析结果表明,直升机重心位置对尾桨倾斜角设计具有很大影响。进一步以直升机悬停低速状态需用功率最小为目标,以直升机俯仰姿态角、重心位置为约束,对尾桨倾斜角展开了优化设计。
　　详细分析了可动平尾对直升机不同飞行状态下飞行性能和飞行品质影响。可动平尾对直升机纵向飞行性能和飞行品质均有较大影响,但对横航向飞行性能和飞行品质影响不大,表明可动平尾对改善直升机纵向飞行性能和飞行品质具有很强的潜力。
　　对可动平尾安装角控制系统设计方法展开了研究。以直升机平飞状态俯仰姿态变化最小及前飞巡航状态总距对俯仰运动耦合最小为目标,确定了平尾安装角随前飞速度、总距变化规律,在此基础上设计了可动平尾控制结构,并引入了俯仰角速度和侧滑角反馈。进一步地利用序列二次规划优化方法对可动平尾的控制结构参数进行了优化设计研究,不仅有效改善尾桨倾斜带来的气动耦合等不利影响,提升了直升机飞行性能和飞行品质,而且简化了平尾安装角控制系统参数设计过程。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 国内外相关内容发展现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 直升机飞行动力学模型及验证

2.1 前言

2.2 坐标系

2.3 直升机飞行动力学模型

2.4 飞行动力学模型配平及验证

2.6 小结

第三章 尾桨倾斜对直升机飞行性能和飞行品质影响

3.1 前言

3.2 直升机主要性能指标

3.3 尾桨倾斜对直升机性能影响

3.4 尾桨倾斜对直升机飞行品质影响

3.5 小结

第四章 尾桨倾斜角优化设计方法研究

4.1 前言

4.2 理想尾桨倾斜角参数敏感性分析

4.3 平飞纵向配平状态参数敏感性分析

4.4 重心位置对直升机飞行性能影响

4.5 重心位置对直升机飞行品质影响

4.6 尾桨倾斜角优化设计方法

4.7 尾桨倾斜引起的气动、操纵耦合问题解决方法

4.8 小结

第五章 可动平尾对直升机飞行性能和飞行品质影响

5.1 前言

5.2 可动平尾对直升机飞行性能影响

5.3 可动平尾对直升机飞行品质影响

5.4 小结

第六章 可动平尾安装角控制系统优化设计方法研究

6.1 前言

6.2 可动平尾安装角随前飞速度变化规律设计

6.3 可动平尾中总距杆位移反馈规律设计

6.4 可动平尾中其它状态量反馈设计

6.5 可动平尾控制系统参数优化设计及优化结果

6.6 小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作和结论

7.2 本文创新点

7.3 进一步研究工作的建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文