高原環境對直升機旋翼性能的影響分析

文 | 中航工業昌河飛機工業集團公司 蔡 偉 曾衛東 吳奎發

高原環境對直升機旋翼性能的影響分析

Effect of Plateau Environment on Helicopter Rotor Performance

文 | 中航工業昌河飛機工業集團公司 蔡 偉 曾衛東 吳奎發

針對高原環境直升機旋翼性能的估算，建立了一個基于自由渦理論的旋翼尾跡模型，并推導了旋翼拉力和功率的計算方法。以UH-60黑鷹直升機為算例，分別計算了其在海平面及高原環境的旋翼性能，探討了海拔高度對直升機旋翼性能的影響規律。計算結果表明，高原環境的氣候條件對直升機旋翼性能有顯著影響，旋翼拉力較海平面環境減小約30%。

Abstract:Based on the free-vortex theory, a rotor wake model is developed in order to evaluate the rotor performance in plateau environment. Besides that, the calculation method of rotor thrust and rotor power are given. In this paper the UH-60 Black Hawk helicopter is chosen as the example to predict the rotor performance in sea level environment and plateau environment, and also the effect of altitudes on rotor performance is discussed. The results show that plateau environment has remarkable effect on rotor performance and about 30 percent thrust is decreased in plateau environment.

直升機；高原環境；旋翼性能；自由渦

Key words:helicopter；plateau environment；rotor performance；free-vortex.

引言

直升機是一種依靠旋翼為主要升力面和操縱面的飛行器，具有不需跑道便可起降的獨特性能。我國地形復雜，雪災、地震等自然災害頻發，雪域高原地帶尤為顯著，直升機以其垂直起降、空中懸停等優勢在緊急救援任務中發揮著至關重要的作用。然而，高原環境具有溫差大、氣壓低、空氣密度低等特點[1]，對直升機的飛行性能提出嚴峻考驗。以旋翼性能為例，由于大氣雷諾數及密度的降低，旋翼槳葉遭遇的氣流環境更趨惡化，其有效升力降低明顯，某些飛行狀態下還會伴隨槳葉氣流分離引起的失速現象[2]。因而，通過考察直升機旋翼性能在高原環境的變化規律，探討建立適合于高原環境直升機飛行性能的研究方法，具有重要的現實意義。

不論直升機作定常還是非定常飛行，其旋翼氣流環境在高原地帶都將發生顯著變化，尾跡結構亦出現明顯的不同，這給估算高原環境下的旋翼性能帶來較大困難。在國外，關于直升機旋翼的試驗和研究主要集中在低海拔高度的流場環境下進行，針對高原環境旋翼性能研究的文章并不多。而在國內，已有學者關注高原環境對機械、產品的性能影響規律，例如，石愛勤等人[3]對高原環境工程機械適應性技術進行了研究，但針對直升機旋翼性能在高原環境的研究文章鮮見公開發表。

本文假定直升機發動機功率儲備足夠，擬采用自由渦理論模擬槳葉空氣動力的作用，分別對UH-60黑鷹直升機在低海拔及高海拔地域的旋翼性能開展計算和分析，以期得出高原環境對直升機旋翼性能的影響規律。

1 尾跡模型及數值求解

開展旋翼性能計算的關鍵在于捕捉旋翼尾跡結構[4]，而懸停旋翼下方復雜的流場環境及尾跡間的相互干擾使得計算旋翼尾跡結構成為一個困難。本文為計入旋翼尾跡劇烈的收縮效應，擬建立一個當今應用較多的卷起槳尖渦模型。槳葉后緣拖出的自由渦以當地速度向下游移動，其中，槳尖渦的卷起服從Betz卷起規則[5]。

將整個旋翼尾跡分為近尾跡和遠尾跡，近尾跡由槳葉尾隨渦構成，遠尾跡為向下游移動的槳尖渦，如圖1所示。旋翼空間誘導速度來自槳葉附著渦（圖1中未示出）、尾隨渦及槳尖渦的共同貢獻，計算的依據是畢奧-薩發爾定理。

將單根尾跡渦線的控制方程寫作

2 旋翼性能的計算

在對旋翼尾跡進行求解之后，便可逐步計算旋翼流場及槳葉升力，進而確定不同海拔高度條件下的旋翼拉力和功率。其中，旋翼消耗的功率包括誘導功率Pi和型阻功率Po，即

由Joukowski定律，槳葉單位長度上的升力為

式中，t為空氣密度，Wi是剖面來流速度，Ci是槳葉微元的附著環量。

由此，將各剖面升力分解得到翼型拉力并沿展向求和，可得到旋翼的拉力。將剖面升力與到旋翼軸的向量做矢積，并取平行于旋翼軸的矢積分量進行求和，便得到旋翼消耗的誘導功率系數。

至于型阻功率的求解，需要借助于二元翼型數據表，并查找相應的翼型阻力系數。這樣就可得到槳葉剖面型阻，從而確定旋翼的型阻功率系數。

表 1 不同旋翼總距時的旋翼拉力對比

3 算例及分析

以UH-60黑鷹直升機為算例，分別計算其在不同海拔條件下的旋翼性能，并針對高原環境下旋翼性能下降幅度進行分析。

采用本文建立的旋翼性能計算方法，計算不同旋翼總距時的旋翼拉力，將結果示于表1中。計算過程中，低海拔地域為海平面高度，而高海拔則選擇4000米高原環境。槳葉翼型SC1095的型阻系數可通過查詢文獻[7]中的數據得到。

從表1的計算結果中可清楚地看到，隨著旋翼總距角的增大（旋翼拉力系數增大），在海平面及高原環境下旋翼拉力均呈增大趨勢，但高原環境的旋翼拉力增大量小于海平面環境。并且，在同一旋翼總距條件下，高原環境的旋翼拉力顯著低于海平面環境，約降低30%。這意味著，直升機若在高原環境飛行，需要更多的發動機功率儲備。

為了更直觀地表達不同海拔高度對旋翼性能的影響規律，對兩種海拔條件下的直升機旋翼功率進行了計算，并將計算結果示于圖2中。

圖2中的計算數據表明，在高原環境下直升機旋翼功率顯著低于海平面環境，約減小33%。但隨著旋翼總距角的增加，旋翼功率的增大趨勢是一致的。從圖中還可看到，當拉力系數較大時，旋翼功率的增大趨勢更加明顯。若在高原環境下增大總距角，則需進一步提高直升機的可用功率。

4 結束語

我國的青藏高原具有豐富的資源儲備和重要的戰略地位，直升機以其無需跑道、機動靈活等特點在該地域的搶險救災、物資運輸、反恐維穩等行動中發揮著不可替代的重要作用。開展高原環境直升機旋翼性能的研究、探討旋翼性能在高原環境下的變化規律，以及摸索提升直升機高原性能的方法，是本文的立意所在。以直升機旋翼為研究對象，本文分別進行了海平面及高原環境旋翼性能的計算，討論了海拔高度對直升機旋翼性能的影響規律。可得到如下結論：

4.1 受氣壓、大氣密度變化等因素的影響，高原環境下直升機旋翼性能顯著下降；

4.2 隨旋翼總距角的增大，高原環境旋翼拉力較海平面環境增加緩慢；在同一總距條件下，高原環境旋翼拉力較海平面環境約減小30%；

4.3 高原環境的旋翼功率顯著低于海平面環境；在大槳距條件下，旋翼功率的增加趨勢更加明顯；

4.4 直升機在高原環境執行飛行任務，需發動機提供足夠功率儲備。

[1] 德慶措姆，索朗旦西，西藏氣候的初步分析[J]，西藏科技，2002，112（8）：49-51。

[2] Harris F D: Rotor Wing Aerodynamics: Historical Perspectives and Important Issues, Presented at the American Helicopter Society National Specialists’ meeting on Aerodynamics and Aeroacoustics, 1987.

[3] 石愛勤，羅國璽，靳生盛，高原環境下工程機械使用技術[J], 青海大學學報，2009，27（4）：75-91。

[4] Landgrebe A J, Cheney M C: Rotor Wakes - Key to Performance

Predictions[R], AGARD CPP- 111, 1972.

[5] Rossow V J: On the Inviscid Rolled-Up Structure of Lift Generated Vortices [J], Journal of Aircraft, 1973, 10(11):647-650.

[6] 趙景根： 直升機旋翼/機身氣動干擾的研究[D]， 南京，南京航空航天大學，2001。

[7] Bousman W. G.: Aerodynamic Characteristics of SC1095 and SC1094R8 Airfoils[R], NASA/TP-2003-212265, 2003.

蔡偉（1983-），男，江西浮梁人，工程師，工學碩士，2009年畢業于南京航空航天大學。主要研究方向：直升機空氣動力學及直升機總體設計。