直升机空气动力学-直升机的特殊飞行状态

南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics直升机特有的飞行安全性能自转下滑和自转着陆垂直下降与涡环状态低空飞行回避区起飞、着陆临界决策点南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第一节自转下滑和自转着落旋翼失去发动机驱动力时，若操纵得当，可以继续旋转并产生拉力，进行匀速下滑飞行并安全着陆。1-1桨叶剖面的速度及迎角下滑相对气流的垂直分量使剖面迎角大于安装角，升力前倾。若合力垂直于旋转面，则使旋翼匀速自转，此时：若迎角更大，则合力前倾，剖面合力构成驱转矩，旋翼成为风车，带转尾桨及附件;拉力使直升机匀速下滑飞行。讨论：怎样驶顶风船？yxCCarctan)(*南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics1-2下降率由功率平衡关系：考虑到下滑时机体迎风角度与平飞时有差别，取修正系数1.05以久航（经济）速度下滑，需用功率最小，得最小下降率，可使留空时间最久；以远航速度下滑，有最小下滑角，滑行最远。讨论：自转下降率曲线与需用功率曲线大致反对称；都太大。75()yxifVNNNGGNVxuy7505.1min0minminmin)arctan()(7505.1)(VVGNVyxuyky()0xuxifpsNNNNNNyVXV南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics1-3自转着落自转下滑，主要用于发动机或传动系统故障、尾桨失效时的应急处置，是直升机必要的安全性能。在自转下滑过程中，选定着陆点。着陆前，利用前进及旋转动能转化为拉力功，减小速度及下降率。第一步，后拉驾驶杆，旋翼后仰，拉力增大，转速提高。减速、缓降；第二步，增大桨距，拉力再增大，下降率减至最小（转速下降）；第三步，前推杆纠正上仰姿态并接地，刹车停住。讨论：为何桨叶不可太轻、p不可太大？南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第二节垂直下降与涡环状态2-1垂直下降流态由垂直飞行滑流理论，得到旋翼处气流合速度随升降速度的变化是两条双曲曲线。垂直上升及风车状态，旋翼流场是稳定的滑流；自悬停起至稳定自转前，这段垂直下降中流场紊乱，滑流理论不适用。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics悬停上升慢降涡环自转/风车直升机垂直下降及陡降中，旋翼尾流被下降相对气流吹回，在旋翼周围形成不稳定的大气泡，旋翼的作用变为搅动该气泡内的空气，即使增大桨距也不会增大升力。该气泡时破时合，直升机在颠簸中迅速下降，操纵失效。若有足够高度且处置适当：放低总距加大下降率，并坚持顶杆转为前飞，有可能改出，否则即发生坠地事故。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics2-2涡环状态的边界涡环状态是紊乱流场，不能用已有的旋翼理论分析计算。关键是确定涡环边界，飞行中避免陷入。曾有数种假定及方法（投影为0，尾涡被压缩），不能正确计算涡环边界。本校研究结果：第一步，模型试验。测定模型旋翼在垂直下降及陡下降中拉力、扭矩的平均值及脉动量，找出进入涡环的关键性特征。10V0,V南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第二步，建立计算方法。以试验结果为基础，修正已有的假设，建立新的涡环边界计算方法；以国内现有的外国直升机为算例，将结果与其飞行手册中的规定（据飞行试验）对比，得到初步验证。第三步，飞行试验。是大风险、高难度的试验。研制了空测及纪录设备，改装了试验机，拟定了试验方法。以振动纪录和试飞员感受为依据，得到涡环边界。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics飞行试验证实了理论。理论曲线与试飞曲线平行：飞行员能承受并改出的进入涡环深度，比理论值更高些。速度平面分割为三个区：安全区、警告区、危险区应用：为我国全部机型给出了涡环边界方法载入“飞机设计手册”，美国海军据此研制出了“涡环告警器”南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第三节低空回避区单发直升机，飞行中若发动机意外故障停车，飞行员应：1，尽快判断（1-2秒内），立即操纵进入自转2，在稳定自转下滑中，选定并进入迫降场3，实现自转安全着陆若飞行高度过低，则来不及完成上述过程。若在很低的（？）高度飞行中停车，可直接落地。近地高速飞行中若停车，直升机姿态变化大，飞行员来不及修正就要接地，有倾翻危险。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics每种直升机都须确定其低空回避区——高度/速度图，在此区内飞行时若发动机意外停车，则不能安全着陆。回避区上边界依能安全自转着陆而确定。其中进入段及着陆段为非定常飞行，且与驾驶技术有关，仅能大致估算，最终由飞行试验确定。下边界按起落架可吸收的功量确定（此时旋翼仍产生部分升力）。高速区尚无可靠计算方法，按经验方法给出。大致范围：100m,30-40m、40-50km/h,3-8m,15m、100km/h讨论1，正常起飞过程2，双发直升机的回避区南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics第四节起飞、着陆两临界决策点双发及多发直升机，若在起、落过程中单发意外停车，依靠剩余的发动机的功率，能否继续完成起飞/着陆，决定于停车时刻在决策点前还是之后。起飞：决策点前停车，须立即着陆；之后停车，可继续完成起飞。着陆：决策点前停车，可继续完成着陆或复飞；之后停车须立即着陆。起飞或着陆决策点，根据功率条件按优化轨迹计算，为直升机提供安全指南。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology直升机空气动力学HelicopterAerodynamics小结自转着陆、涡环、低空回避区、起/落临界决策点等问题，都是直升机特有的、涉及飞行安全的问题——重要；非定常空气动力学问题，仍在研究中——难。当前依靠经验的或半经验的方法、试飞的方法解决。期待理论。直升机的应用在迅速发展，为空气动力学提出了若干新课题，如大机动飞行、气动干扰、气动噪声、转换旋翼等。研究工作大有可为。