下一代直升机的重点技术是什么?美国相关研究脉络指明了方向

下一代直升机的重点技术是什么?美国相关研究脉络指明了方向

​下一代直升机需要关注什么重点技术?

在下一代直升机(或者说旋翼飞行器——包括复合式直升机和倾转旋翼机)的研制工作中,有两项相当关键而且非常有可能成为瓶颈的技术值得关注,其中一项就是旋翼飞行器动力学问题,关于这个问题,我在近期的文章中多有介绍,感兴趣的读者朋友可以翻阅;另一项就是旋翼飞行器的气动弹性力学,或者说气动弹性稳定性的问题。

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△项目在接近完成却被撤销的AH-56A夏延直升机

在此前的重点旋翼飞行器,比如美国“先进空中火力支援系统”项目下的AH-56A夏延武装攻击直升机,又比如美国海军陆战队在役的MV-22鱼鹰倾转旋翼机,其发展过程中,都碰上了气动弹性问题,区别就在于夏延复合式直升机没能克服这一关键问题,导致最后该项目失败;而鱼鹰倾转旋翼机的前身XV-15倾转旋翼机就成功克服了这一关键问题,最后促成了鱼鹰倾转旋翼机的成功。

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△贝尔公司的XV-15倾转旋翼机,可谓是V-22鱼鹰的前身

为了推进下一代旋翼飞行器的预先研究工作和促进相应的理论分析模型和试验方法的完善,很有必要回顾一下在这方面面已经进行过的研究工作,从而以此为基底,发掘潜在的全新的研究机会。不得不承认的是,在这方面的研究,资料翔实、稳步推进的仍然要数美国陆军飞行动力学理事会(AFDD)进行的一系列科研活动,所以本文将以AFDD的工作为脉络主线,进行介绍。这里也必须支出的是许多其他的机构也对该领域做出了不可或缺的贡献,但是在本文中不会提及太多。

下面——请看正文。

AFDD的气弹稳定性研究工作的动机和目的

1969年的时候,研究人员对于旋翼飞行器气弹稳定性研究工作的动力主要源自于当时直升机界对于发展无铰式和无轴承式旋翼的兴趣,此外,当时最热门的复合式直升机——AH-56A夏延武装攻击直升机——也在研制过程中碰上了复杂的技术挑战,而这些难题本身也是源自于无铰式旋翼的动力学和气弹稳定性问题。与铰接式旋翼相对来说较为简单的气动弹性稳定性问题不同,无铰式旋翼在气动弹性方面要来的复杂得多。而由于研究人员在这方面缺乏经验和基础认知,导致了无铰式旋翼在发展过程中碰上了一系列问题,当然这也顺势促成了AFDD在上世纪七十年代早期对无铰式旋翼的动力学和气动弹性问题开始投入研究。

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△AH-56A直升机采用了当时还是个新概念的刚性旋翼,也就是无铰式旋翼,图为洛克希德当时的刚性旋翼验证机

AFDD的研究工作的目的有三个方面,分别就是:

①发展对于相关现象的基础认知;

②发展理论和分析方法来预测无铰式旋翼的气动弹性和动力学特性;

③通过试验来验证这些方法。

这些目的当然也不是孤立的,而是相互关联的,这种关联性所产生的协同效应使得理论方法的发展能够被耦合到试验设计之中,并且模型方法方法和试验测试之间的差异也被用来提升分析方法的性能。而旋翼飞行器本身的多层及复杂性也在向研究界呼吁发展一种简化的方法来将这种整个的技术问题分解成一系列简化的问题。

第一次探索——旋翼挥舞-摆振稳定性

对于无铰式旋翼气动弹性稳定性的首次探索限制在一副单独旋翼之上,并且包含了一系列数值分析和试验测试研究工作。

关于最早的挥舞-摆振研究动机包括夏延直升机的经验以及一项当时正在进行的理论论战。当时研究人员杨米认为无铰式旋翼可能会经历非线性的挥舞和摆振气动弹性不稳定性问题,但是此前关于这问题并没有被过多考虑。霍恩埃姆则和希顿等研究人员认为基本上解决了这个问题。然而,他们也指出研究工作中可能存在的一个小瑕疵——在模型线性化过程中存在一个错误——并且指出挥舞-摆振耦合可能会导致弱的挥舞-摆振不稳定性。

为此,研究人员设计了一个简单的试验来确认这个结果,并且所采用的摆振阻尼器的措施很清晰的显示出来自于挥舞/摆振耦合的不稳定性——与没有挥舞/摆振耦合的部分存在着显著的差异。

然而,在高总距角的情况下,结果出人意料地偏离了线性化分析。桨叶失速效应的结果降低了桨叶挥舞运动的阻尼——归因于挥舞和摆振自由度的耦合——产生了更强的挥舞-摆振不稳定性。研究人员进行了若干分析和试验来解决这一现象,并且促成了一种线性化的翼型失速模型,这种模型非常适用于表征“挥舞-摆振不稳定性”,其理论原理大概如下图所示。

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△AFDD的首次气动弹性悬停试验测量了挥舞-摆振阻尼随着总距角的变化趋势,并确认了早期的挥舞-摆振稳定性理论

再介绍另一项研究工作,这项独立分析工作也被用来探索气动弹性现象,为后续研究工作提供了基础的理论认知和不同旋翼类型可能会导致的试验结果的差异。

在上世纪六十年代内,面内柔软和面内刚硬的无铰式旋翼孰优孰劣成为了一个备受争论的主题。我在之前的文章中也介绍过,面内柔软的旋翼被认为重量更轻,但是面内刚硬的旋翼虽然更重,但是更不容易发生地面共振和空中共振。在运动学上,铰接式旋翼的变距-摆振耦合可能变得非常非常不稳定,研究人员发现面内刚硬的无铰式旋翼在特定的设计参数状态下其挥舞-摆振不稳定性会在一个较大的范围内发生。就像下面这幅图针对面内柔性和刚硬的旋翼变距-挥舞耦合参数进行了曲线绘制。从图中可以看出,面内刚硬的旋翼对于结构耦合参数,R,展现出了大范围的敏感性。

相反的,面内柔性的旋翼敏感性就小得多,并且挥舞-摆振不稳定性也相对来说更容易避免。这种之前在的面内刚硬无铰式旋翼对气动弹性现象的敏感性在那个时候的认知相当有限。毫无意外的是,AFDD的研究结果对于正在和夏延直升机在试飞中碰到的问题进行斗争的洛克希德工程师而言是相当有吸引力的。

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△基础研究促成了对于旋翼设计和评估的实际认知的一个例子

不可或缺——AFDD进行的试验研究(1970-1990)

许多研究工作都是在生产型旋翼出现挥舞-摆振稳定性问题之后出现的。最后AFDD动力学和气动弹性研究工作包含有无铰式旋翼气动弹性稳定性、非线性梁理论、无铰式旋翼响应、Floquet理论、无轴承式旋翼和动态入流理论。这些研究工作的一部分正是有彼得和洪格思在第28届和第34届尼克尔斯基报告上的主题。试验探索内容也在规模和复杂程度上不断增加来验证对应的复杂分析方法。模型的制作、试验技巧、仪表装置和数据分析都持续不断地被改进。最终的目标就是确保最高品质的数据和最完成的可获取的数据库。

在这些研究工作中一部分试验模型被展示在下面这张图中,以此来展示这些研究的规模之广。其中包括孤立旋翼(固定桨毂)附带弹簧约束(柔性铰链)刚性桨叶和扭转柔性桨叶。旋翼弯曲和扭转运动的各种弹性和动力学耦合效应被进行了研究,几何参数,比如预锥角、下垂和扭转频率也被进行了参数化分析和研究。

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△一组AFDD进行气动弹性稳定性试验的旋翼模型,从中可以窥见AFDD在20年间对这方面投入的巨大研究工作

研究人员进行了一系列试验来探索这种旋转系统桨叶运动之间的耦合效应,以及在固定(非旋转)系统中的旋翼桨毂的运动。面面内柔性旋翼的地面和空中共振现象,关于地面和空中共振的非定常尾迹动态入流和气动弹性耦合问题也被进行了研究。无轴承旋翼的模型被进行了试验测试来评估AFDD新发展的数值分析方法。

关于前飞状态下的相关研究被AFDD利用孤立旋翼搭配扭转刚硬弹性桨叶在7英尺*10英尺的风洞中进行了测试,同时进行测试的还有先进的动力学模型(该模型采用带有桨尖后掠的平直扭转柔性桨叶)在全比例桨尖速度下进行了测试。

AFDD的试验研究工作基于一种严格的方法,这种方法随着时间的推移而发展,这对AFDD取得成功至关重要。美国直升机专家建议在今后的研发工作中,仍然采用这些基本的方法原则,而这些原则包括:

①设计模型来验证分析方法。试验模型都是为分析方法模型而量身定制的。如果分析方法中不包含具体的自由度或者几何特征,模型也都要按照这些规则来量身定做。这确保使其能够满足后续对比的兼容性。

②优先考虑测量数据的准确性。这意味着尽量最小化机械连接的可动性以及通过应用挠性件来取代球轴承和杆端轴承消除非线性摩擦。

③确保定义准确的物理参数。准确定义几何特征、重量和刚度等物理参数对于预估和测试数据之间的对比是非常关键的。模型需要按照实验室的条件进行专门定制以便进行试验测试。

④消除不必要的功能。对模型进行简化来消除不必要的功能是非常重要的。换句话说,相比于复杂的模型,简单的模型对于分析验证而言显然是更高效的。

⑤最后,在必要的时候进行重复试验。探索未知并非是由“按照计划驱动”的事项。试验的硬件和技术需要不停改进来解决问题。不变的是,绝大部分试验需要做两次——第一次学习怎么做,第二次将它做好。

气动弹性稳定性技术——发展和衰落

从上世纪六十年代到九十年代,AFDD在气弹稳定性分析和试验方面的研究工作持续加速。这些研究的结果相当有效地拓宽了旋翼飞行器动力学和气动弹性技术的基础。在这段时间内,大量的,高质量的试验测试数据库也被积累起来,这对于旋翼飞行器飞行力学方面的理论方法的测试、调整和验证起到了巨大的作用。

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△气动弹性研究主题以矩阵的形式展示出来,当然其中仍然有一些主题并未被提及

AFDD的试验测试工作在上世纪九十年代初期达到了稳定期,发展节奏开始放缓,这是由多种原因促成的,其中包括研究权重的转移、组织机构的调整、资源的需求以及试验任务复杂性地上升。最后的结果就是这种未来旋翼飞行器的关键技术的相关的研究内容的活跃程度开始下降。

在上述矩阵图标中,对这一情况进行了定性的展示,图表按照旋翼飞行器技术问题的物理特点(局部或者整体)以及作业状态(悬停或者前飞)进行了气动弹性技术问题的分类。其中独立的矩阵元素按照其完成程度高亮展示出了分析和试验的主题。那些得到足够的关注的技术主题,其颜色为绿色;那些被研究人员关注较少或者几乎没有关注的主题就是黄色或者红色。许多相较于图表中提到的内容更为简单的主题在那段时期内也被广泛探索果;更复杂和困难的技术主题相关的研究就比较少,不过这些复杂的问题往往对于未来的先进旋翼飞行器的研制工作更为重要。


从本文所展示的历史脉络可以看出,基础的理论知识、分析工具和科研人员以及设计师的技能必须不断地提升来适应未来的发展项目,从而确保能够打造出性能强大、经济实用、可靠性高的旋翼飞行器。因此,我们最后能得出的结论可以说是非常清晰的:对充满挑战的旋翼飞行器气动弹性稳定性领域的研究工作不能无视、不能暂停,更不可或缺,为了在下一代旋翼飞行器的研制中占据高地,就必须坚持在这方面投入足够的努力。

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