一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法技术

本发明专利技术属于直升机总体设计领域，涉及一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法


[0001]本专利技术属于直升机总体设计领域，具体涉及一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法
。

技术介绍

[0002]自转着陆能力是直升机区别于其它航空器的重要安全特性
。
它指的是直升机在全部发动机失效后，仍可通过下降过程中的“风车”效应获得能量，使旋翼能够保持一定的转速，储存能量，最后通过能量转换，释放旋翼旋转动能，减小下降速率和降低前飞速度，完成安全着陆
。
[0003]自转着陆能力是发动机失效后直升机安全
、
乘员安全的重要保障，是民用直升机设计和验证的重点内容之一
。
[0004]适航规章对民用直升机的自转着陆安全性提出了明确要求，对发动机失效后的过渡阶段
、
稳定自转阶段和最后着陆阶段的飞行性能和品质均有规定
。
上述三个阶段中，飞行员操纵直升机完成过渡进入自转，以及在着陆接地前由自转进入瞬时增距是能量转换的关键期，是直升机自转安全着陆能力的集中体现，即与飞行员的熟练程度有关，也和直升机的物理特性有关
。
有的直升机对飞行员驾驶技术要求不高，而有的直升机对于经验丰富的飞行员也是危险的，所以需要开展直升机自转着陆安全性的分析设计工作，确保直升机在正常水平驾驶员操纵下也可满足适航的自转着陆安全性要求
。
[0005]过渡进入自转和自转着陆接地前的瞬间增距，都必须考虑储存在旋翼上的动能及动能消耗率
。
旋翼储存的旋转动能越大，动能衰减速度越慢，直升机的自转特性就越好；但是旋翼储存的旋转动能主要取决于旋翼转动惯量
。
[0006]所以，如何根据目标适航取证高度确定旋翼转动惯量设计目标，进而在空机重量代价，与自转着陆能力收益之间取得平衡，得到合理可行的技术方案，成为自转着陆飞行安全设计的关键
。
[0007]现有技术中，针对自转着陆安全性以及旋翼转动惯量是否满足需求的设计评估方式，主要有以仿真和模拟机为代表的评估方法，而该评估方法虽然具备较高置信度，但是成本高，时间周期长，不能满足直升机总体设计阶段快速评估旋翼转动惯量设计合理性的需求
。
在直升机总体设计阶段，目前还缺乏完善的多发直升机自转着陆安全性的快速评估方法，特别是针对需要满足高原环境适航要求的多发直升机，现有技术无法快速判断当前总体技术方案的自转着陆安全特性是否能够满足目标取证条件下的适航要求，导致不能确定旋翼转动惯量设计目标，无法完成自转着陆安全特性收益与旋翼系统重量之间的权衡
。
[0008]要建立基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法，主要存在以下三大困难：
[0009]一是需要建立描述多发直升机自转着陆安全特性的特征量，确定多发直升机自转着陆安全特性与旋翼转动惯量之间的关系，并给出特征量的设计目标，从而得到旋翼转动惯量目标设计；
[0010]二是需要考虑目标取证条件，包括目标取证高度
、
温度和着陆重量，带来的影响，
可针对高原使用性能要求开展旋翼转动惯量目标设计；
[0011]三是需要关联适航规章要求及驾驶员人为因素，以考虑适航规章对于旋翼转动惯量目标设计的影响
。
[0012]因此，急需建立一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法
。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是：针对已有技术的不足，专利技术一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法，从而针对需要满足高原环境适航要求的多发直升机，在总体设计阶段引入目标取证条件要求，通过试飞确定了自转特征时间设计目标，引入了目标取证条件特征状态需用功率，和旋翼单位实度最大拉力系数计算，从而考虑了目标取证条件，尤其是高原环境，自转着陆安全特性的适航要求，完成自转着陆安全特性收益与旋翼系统重量之间的权衡，完成旋翼转动惯量设计，确保直升机总体技术方案能够满足目标取证高度的适航自转着陆安全特性要求
。
[0014]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0015]提供一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法，包含以下步骤：
[0016]步骤一
、
确定自转特征时间的设计目标：
[0017]自转特征时间的定义为发动机失效后，以旋翼转动动能储存的能量可维持直升机飞行并保持高度不降低的最长时间；将飞行员识别最后一台发动机失效的反应时间与飞行员操作安全滞后时间相比取大值，作为自转特征时间设计目标；所述飞行员识别最后一台发动机失效的反应时间为试飞确定发动机失效后，飞行员识别出发动机出现异常的平均反应时间
。
[0018]步骤二
、
计算目标设计状态下的特征状态的需用功率
Pw
：建立飞行性能计算模型，输入目标设计状态，计算目标设计状态下的特征状态的需用功率
Pw
，是指发动机失效后的直升机维持飞行的需用功率，代表了旋翼储存旋转动能的衰减速度：
[0019]所述目标设计状态是指待设计直升机的目标取证高度
、
大气温度，以及该高度温度条件下最大着陆重量
Gw
；
[0020]步骤三
、
计算目标设计状态下旋翼失速对于旋翼单位转动惯量可释放旋转动能的影响：
[0021]旋翼单位转动惯量可释放旋转动能
E
计算公式如下：
[0022][0023]C
T
/
σ
计算公式如下：
[0024][0025]其中
C
T
为拉力系数，
σ
为旋翼实度，
g
为重力加速度，
ρ
为空气密度，
Ω
为旋翼旋转角速度，
R
为旋翼半径，
Gw
为起飞重量，
C
y7max
为主旋翼桨叶在
70
％半径处翼型的最大升力系数；
[0026]步骤四
、
确定
C
y7max
随高度变化的修正函数
f(H)
：
[0027]f(H)
为考虑高度对旋翼失速特性影响后的修正函数，通过气动计算或者风洞试验得到，以考虑不同高度条件对桨叶气动特性的影响，其中
H
为高度；
[0028]步骤五
、
计算基于自转着陆能力的旋翼转动惯量
I
的设计目标，旋翼方案设计需要确保其旋翼转动惯量大于该设计目标：
[0029][0030]公式中自转特征时间为自转特征时间的设计目标；
[0031]步骤六
、
计算桨叶重量代价，进行直升机总体技术方案权衡：
[0032]根据桨叶的重心在桨叶展向上的位置
x
，以及旋翼转动惯量
I
设计目标求得桨叶片数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于自转着陆能力的旋翼转动惯量设计方法，其特征在于：包含以下步骤：步骤一
、
确定自转特征时间的设计目标：自转特征时间的定义为发动机失效后，以旋翼转动动能储存的能量可维持直升机飞行并保持高度不降低的最长时间；将飞行员识别最后一台发动机失效的反应时间与飞行员操作安全滞后时间相比取大值，作为自转特征时间设计目标；所述飞行员识别最后一台发动机失效的反应时间为试飞确定发动机失效后，飞行员识别出发动机出现异常的平均反应时间；步骤二
、
计算目标设计状态下的特征状态的需用功率
Pw
：建立飞行性能计算模型，输入目标设计状态，计算目标设计状态下的特征状态的需用功率
Pw
，是指发动机失效后的直升机维持飞行的需用功率，代表了旋翼储存旋转动能的衰减速度：所述目标设计状态是指待设计直升机的目标取证高度
、
大气温度，以及该高度温度条件下最大着陆重量
Gw
；步骤三
、
计算目标设计状态下旋翼失速对于旋翼单位转动惯量可释放旋转动能的影响：旋翼单位转动惯量可释放旋转动能
E
计算公式如下：
C
T
/
σ
计算公式如下：其中
C
T
为拉力系数，
σ
为旋翼实度，
g
为重力加速度，
ρ
为空气密度，
Ω
为旋翼旋转角速度，
R
为旋翼半径，
Gw
为起飞重量，
C
y7max
为主旋翼桨叶在
70
％半径处翼型的最大升力系数；步骤四
、
确定
C
y7max
随高度变化的修正函数
f(H)
：
f(H)
为考虑高度对旋翼失速特性影响后的修正函数，通过气动计算或者风洞试验得到，以考虑不同高度条件对桨叶气动特性的影响，其中
H
为高度；步骤五
、
计算基于自转着陆能力的旋翼转动惯量
I
的设计目标，旋翼方案设计需要确保其旋翼转动惯量大于该设计目标：公式中自转特征时间为自转特征时间的设计目标；步骤六
、
计算桨叶重量代价，进行直升机总体技术方案权衡：根据桨叶的重心在桨叶展向上的位置
x
，以及旋翼转动惯量
I
设计目标求得桨叶片数为
n
的旋翼系统中每片桨叶的重量
M
桨叶
，进而得到旋翼转动惯量...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐朝梁，邱良军，陈瑞，刘文琦，张威，周灵铃，张志铭，徐玉貌，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：