桨毂、起落架、平尾和垂尾等部件对直升机的气动特性、稳定性和操纵性等有比较大的影响,因此获得这些部件的气动特性在直升机研制过程中非常重要。分别采用风洞试验和两种CFD计算方法获得了某无人直升机算例样机的桨毂、起落架、平尾和垂尾四个部件的气动特性,并对三种方法得到的结果进行了对比分析。结果表明部件阻力、侧向力和滚转力矩的风洞试验值与CFD计算取值相差比较大,但是三种方法得到的升力、俯仰力矩和偏航力矩值相差比较小。两种CFD方法计算得到的部件气动特性差别比较小。研究结果可为直升机部件的气动特性风洞试验或数值计算提供一定的参考。

近年来,共轴式直升机飞行速度越来越快,其气动特性也与常规直升机有比较大的差异。采用求解N-S方程的方法对某共轴式直升机算例样机的气动特性进行了数值计算,计算状态包括五种典型的飞行速度。通过分析全机和桨毂等部件的气动特性计算结果发现,在目前直升机的最高飞行速度范围内,共轴式直升机气动特性受飞行速度的影响比较小。未来随着直升机飞行速度进一步提高,全机和桨毂的阻力增长很快,同时全机和垂尾的偏航力矩变化比较大。研究结果对直升机减阻设计和气动布局选型有重要参考。

以类S97构型的高速直升机为研究对象,通过全机平衡方程的建立,开展共轴双旋翼、尾部推进桨的气动特性研究,着重分析了不同前进比下转速变化对拉力/推力、功率的影响,研究其气动环境与常规直升机的差异,并从全机角度出发,进行共轴双旋翼、尾部推进桨的功率占比分析,研究旋翼转速、飞行速度、需用功率之间的内在关系,得到了高速直升机气动特性的基本规律以及影响其气动效率的一些因素。

采用阻尼网数值模型和改进的延迟脱落涡(IDDES)湍流模拟方法,计算了阻尼网用于控制圆柱流动和噪声的场景,研究了阻尼网的控制机理和规律。计算中,阻尼网呈圆弧形,放置于圆柱之前,探索了不同开孔率的影响。阻尼网能够通过影响圆柱的分离区和涡脱特性来影响振动和噪声辐射。开孔率为0.55时,阻尼网可以消除由圆柱涡脱引起的主导频率振动,极大降低下游尾迹区的湍流脉动,无量纲湍动能最大值从0.19降到0.09。在远场噪声方面,该阻尼网能在90°方向降低总声压级3.5 dB。

为研究双层平尾对旋翼/平尾干扰的抑制机理,采用基于动量源模型的CFD方法建立了旋翼/平尾干扰计算模型,获得了不同前进比下的不同平尾构型的旋翼/平尾气动干扰计算结果,分析了旋翼干扰状态下的不同构型平尾的载荷和流场特点。结果表明平尾干扰载荷在前进比0.05时最大,相比单层平尾,双层平尾的干扰载荷下降约43%;双层平尾的上下双层设计降低了单层平尾面积,减小了由于旋翼尾迹撞击在上层平尾上而产生的干扰载荷;由于上层平尾的遮挡作用,减弱了旋翼尾迹对下层平尾的干扰作用。

为研究水平转弯状态的旋翼气动噪声特性,基于Camrad II计算得到的旋翼非定常气动载荷,采用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程计算了旋翼气动噪声特性。在相同转弯半径下计算分析了前进比对旋翼气动力和噪声的影响;同时基于二级声辐射模型开展了地面声场计算。计算结果表明旋翼拉力和桨涡干扰会对旋翼噪声产生影响,在某些工况下都可能起主导作用;合理地选择转弯状态可以降低旋翼噪声水平。当转弯半径为40 R时,左转弯状态最佳前进比为0.25,右转弯状态最佳前进比为0.2;不同前进比对应的最大地面等效连续声级差异能够达到7 dB。

基于紧致源模型和FW-H方程,建立了一个旋翼气动噪声快速计算模型。其中,采用三维网格对桨叶外形进行精确描述,并结合Farassat 1A公式中的厚度噪声计算公式,以准确计算旋翼桨叶厚度噪声;载荷噪声计算方面,则采用Camrad Ⅱ进行旋翼非定常载荷的计算,并结合Farassat 1A公式的载荷噪声计算公式进行计算;最后将厚度噪声和载荷噪声进行时域叠加来计算旋翼的总噪声。在此基础上,与基于CFD/FW-H方程的旋翼噪声模型进行了计算对比,结果表明本文方法计算效率远高于CFD/FW-H模型,且在总噪声主要传播方向上,悬停状态下的差值在0.6dB以内,前飞状态下差值在1.0dB以内,具有较好的可靠性,能够用于旋翼噪声的快速评估。

平尾纵向气动特性数据是直升机研制过程中飞行品质和载荷等计算的设计输入。采用CFD计算方法对某型无人直升机的机身气动特性进行了计算,包括无侧滑、小侧滑、中等侧滑和大侧滑状态;之后提取出单独平尾的纵向气动特性数据;然后对单独平尾纵向气动特性的CFD计算值与风洞试验结果进行了对比分析,分别采用增量法和比值法分析了两者的相关性。结果表明,平尾纵向气动特性CFD计算值的变化趋势与风洞试验结果一致。在大攻角范围内,两者的差值比较大,但是两者的比值比较稳定。在小侧滑和中等侧滑状态,两者的比值比较小。研究结果可为平尾气动设计和气动特性CFD计算结果的修正提供一定的参考。

平尾和垂尾是直升机重要的气动面,其气动特性数据是计算飞行品质和载荷等的设计输入。采用CFD方法分别对两种构型直升机的全尺寸和缩比模型进行了气动特性计算,计算状态包括大攻角和大侧滑角状态。之后提取出其中的平尾和垂尾气动特性结果,并与风洞试验结果进行了对比分析。结果表明,CFD计算得到的平尾和垂尾气动特性值与风洞试验结果变化趋势一致,其中平尾气动特性数据在数值上相差比较小,而垂尾气动特性数据在数值上的误差比较大。研究结果可为直升机平尾和垂尾大角度气动特性计算方法选取和计算结果修正提供一定的参考。

在某型直升机液压油箱的设计过程中为了解决液压油箱内大直径活塞与外筒内表面之间的密封问题在经过充分的理论分析的基础上提出了密封改进措施精选了4种液压油箱活塞密封设计方案并对每种活塞密封设计方案的结构特点、密封原理及优点等进行了详细的分析说明。在此基础上进行了充分的试验验证通过试验及分析选出了最优液压油箱活塞密封设计方案解决了液压油箱油液渗漏的问题同时也为同类型液压系统故障问题提供了有益借鉴。