張亞凱 馮瑞學 林志偉

摘 要：旋翼是直升機的重要組成部件，在直升機的飛行過程中起著重要的作用，旋翼可以為直升機的飛行提供升力和拉力的雙重作用力，還可以起到飛機副翼、升降舵的作用，但是在旋翼的旋轉過程中，槳葉之間會產生氣動干擾，嚴重影響旋翼的工作效率，影響直升機的飛行效果，本文就對直升機螺旋槳葉的氣動干擾進行分析探討。

關鍵詞：直升機 旋翼槳葉 氣動干擾

1.直升機旋翼槳葉氣動干擾

1.1產生原因。飛機就是由機翼、機身、尾翼和推進裝置等部件組成的，直升機上的各部件繞流的壓力場和邊界層會產生相互干擾，使作用在整架飛機上的空氣動力并不簡單地等于各孤立部件所產生空氣動力之和，必須計及因空氣動力干擾而產生的增量，直升機上各部件間空氣動力干擾都會帶來的對直升機飛行性能不利的影響。旋翼槳葉，是指裝在旋翼上的槳葉，一副旋翼最少有2片槳葉，最多可達7片，它相當于旋轉的機翼，槳葉剖面呈翼型，旋轉時產生支承直升機的升力和推動直升機運動的推進力。旋翼是直升機、無人多旋翼飛行器中最重要的部件，而槳葉，又是旋翼中的核心部件，所以直升機旋翼漿葉之間產生的氣動干擾對直升機的飛行影響更大。

1.2研究目的。直升機與其它類型的飛行器比起來具有更多的飛行優點，直升機可以進行空中懸停、垂直起降等多種活動，如今在各領域的應用越來越廣泛。但是直升機空氣動力的各個組成部分之間存在著十分復雜的相互干擾，可以說直升機，特別是具有高槳葉載荷和小的旋翼、機身間距特點的新型直升機，其動力學性、能、操縱品質、噪聲、振動等都不同程度地受這些氣動干擾的影響，因此，研究這些氣動干擾，在直升機設計過程中將起到更加關鍵的作用，通過對直升機旋翼槳葉的氣動干擾研究，研發新型旋翼槳葉，減少直升機旋翼槳葉間的氣動干擾，提升直升機的飛行性能，更好的將直升機應用到軍事、救援、火災等多個領域中去。

1.3國內外研究現狀。幾十年來，國外隨著先進的實驗設備的出現，人們十分活躍地開展了地面懸停及風洞實驗，從直升機“整體”概念出發來研究旋翼、機身（及各部件）、尾槳的氣動干擾機理，優化氣動布局，確定最佳的控制氣動干擾的布局參數，并根據大量的實驗結果來改進各種氣動力預測方法。國內由于實驗設備條件的限制，旋翼、機身氣動力干擾的實驗研究工作起步較晚。氣動中心在1990年成功地研制了8米×6米風洞直升機旋翼試驗臺的基礎上，于1992年7月，利用BO-105旋翼模型和Z-9機身模型在8米×6米風洞進行了實驗。用三臺天平分別測定了旋翼和機身的氣動力，用機械壓力掃描閥測定了機身模型典型剖面的壓力分布，并用絲線對機身表面進行了流態觀察，獲得了正確的氣動干擾概念和與國外相類似的實驗結果。通過對旋翼槳葉一段時間以來的研究，得出了CFD計算方法。

1.4研究結果。對于該實驗所用模型的氣動布局，可以得出以下結論：在懸停狀態下，旋翼的下洗尾流使機身產生負升力、俯仰力矩和偏航力矩，而對機身后向力、側向力、滾轉力矩影響很小。負升力、偏航力矩和俯仰力矩的干擾百分比隨拉力增大而減小，并趨于常值，機身的存在對旋翼的影響很小，使旋翼最大氣動效率提高約1%。在等拉力系數配平前飛條件下，旋翼的下洗尾流對機身的法向力、側向力、偏航力矩和俯仰力矩有一定影響，隨前進比增加，其影響（無量綱系數）逐漸減小。下洗尾流引起的機身法向力增量百分比最大為2.4%，機身的存在使總距操縱量平均減小約0.4°，前飛需用功率平均減小約1.3%。根據CARDC8米×6米風洞直升機旋翼機身組合模型試驗臺的現有條件，可在較大的空間范圍內進行旋翼、機身相互位置參數的選擇，進行懸停和前飛狀態下的測力、測壓和流態實驗，研究旋翼、機身之間的氣動力干擾效應。

2.氣動干擾影響參數

2.1迎角影響。迎角是指飛機速度方向線在飛機對稱平面內的投影與機翼弦線之間的夾角，飛行時，作用在機翼上的空氣動力與迎角有關。在一定的迎角范圍內，增大迎角，升力系數和阻力系數都增大，但是，當迎角超過臨界迎角時，升力系數反而開始減小，同時由于迎角較大時，出現了粘滯壓差阻力的增量，阻力系數與迎角的二次方成反比，當超過臨界迎角時，分離區擴及整個上翼面，阻力系數急劇增大。這時飛機就可能失速。因此，迎角是影響飛機氣動干擾的重要參數之一。

2.2馬赫數影響。馬赫數是流體力學中表征流體可壓縮程度的一個重要的無量綱參數，定義為流場中某點的速度v同該點的當地聲速c之比，即飛行器在空氣中的運動速度與該高度遠前方未受擾動的空氣中的音速的比值，在氣體流動過程中，馬赫數愈大，氣體表現出的可壓縮性就愈大。按照馬赫數的大小，氣體流動可分為低速流動、亞聲速流動、跨聲速流動、超聲速流動和高超聲速流動等不同類型。馬赫數小于1者為亞聲速，近乎等于1為跨聲速，大于1為超聲速；一般情況下，若馬赫數大于5左右，為高超聲速；其值越大，空氣（或其它氣體）的壓縮性影響越顯著，旋翼槳葉受氣動干擾影響越大。

2.3翼型間距影響。在翼型的迎角都相同的情況下，旋翼槳葉間的干擾間距越大，后翼所受的升力系數隨著干擾間距的增加而逐漸趨向于前翼所受的升力系數，后翼所受的阻力系數逐漸減小而趨向于前翼所受的升力系數，也就是說前翼與后翼的升阻比逐漸接近，前翼與后翼間的氣動干擾逐漸減弱。

3.旋翼槳葉的氣動優化

通過對影響旋翼槳葉的氣動干擾的原因的研究，以及計算可以得出以下幾點建議。旋翼槳葉沿徑向扭轉角的分布也影響著旋翼的效率，通過對不同的旋翼槳葉的計算選取最合適的線性扭轉，可以有效減少直升機懸停時的功率損失，現在采用比較多的是負線性扭轉。并通過對直升機不同懸停狀態時馬赫數計算、旋翼槳葉迎角計算，分別找出最佳的馬赫數和旋翼槳葉的迎角，通過對直升機旋翼槳葉的馬赫數、旋翼槳葉迎角的設計，最大程度的減少二者對旋翼槳葉的氣動干擾，提高旋翼的效率。

小結

直升機的旋翼槳葉在旋轉過程中，必然會受槳葉間氣流的互相干擾，影響旋翼的效率，通過對直升機馬赫數、槳葉迎角、槳葉沿徑向扭角的計算，得出最佳結果，對影像直升機氣動干擾的參數進行改良，提高直升機的飛行性能。

參考文獻

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