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摘要：旋翼/平尾气动干扰建模是直升机全机配平模型和飞行动力学模型的核心内容。常规全机配平模型难于准确体现旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响。为此本文基于非定常面元/黏性涡粒子法，通过在平尾面元中增加由旋翼和平尾尾迹时变干扰产生的非定常压力项，构建旋翼/平尾气动干扰作用下的直升机全机配平特性分析方法。
关键词：平尾气动；黏性涡粒子法；直升机配平；旋翼操纵；机体姿态
直升机低速飞行特性对于武装直升机和运输直升机具有重要作用，同时也是直升机飞行动力学和空气动力学的研究重点和难点之一。由于全尺寸直升机风洞试验难度较大，而理论分析仍然难于准确模拟低速前飞状态下的直升机非定常气动干扰特性，从而降低飞行动力学模拟分析精度。而这些问题均与旋翼/平尾气动干扰对直升机全机配平和操纵特性影响直接相关，由此准确分析旋翼尾迹与平尾气动干扰对直升机全机配平特性的影响就显得至关重要。
一、旋翼/平尾气动干扰对全机配平特性的影响
为分析旋翼/平尾气动干扰对直升机全机配平特性的影响，采用本文耦合旋翼/平尾气动干扰模型的全机配平方法和通过诱导速度考虑旋翼/平尾气动干扰的常规全机配平方法分别计算UH-60A固定低平尾下的旋翼操纵量和机体姿态，并与OH-6A和EH-101试验结果对比。
由于难于获得OH-6A和EH-101试验的详细测试数据，因此本节将主要对比计算结果与试验结果的特性趋势。在悬停到小速度前飞的过渡阶段，由于平尾气动效率较低，旋翼尾迹/平尾干扰较弱，即使直接考虑旋翼对平尾的非定常影响，平尾气动载荷也较小，因此本文方法计算的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角与基于诱导速度的常规全机配平方法计算结果基本相同。低速阶段，由于旋翼尾迹/平尾气动干扰显著，旋翼尾迹贴近平尾表面移动，使得平尾气动载荷迅速增加，并随旋翼尾迹的远离又快速减小，因此采用本文方法计算得到的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角显著增加，形成典型的“抬头”现象，并与UH-60A、OH-6A试验中所出现的纵向操纵量突增、EH-101飞行试验中所出现的机体俯仰角快速增加相吻合。受旋翼/平尾非定常气动干扰的影响，旋翼纵向操纵量和机体俯仰角分别增加240%和295%，纵向操纵量大于中等速前飞(200km/h)的纵向操纵量，增量约为21．2%，且机体俯仰角高达10°。而基于诱导速度的常规全机配平方法计算的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角未明显增加，并未出现UH-60A、OH-6A、EH-101飞行测试中出现的纵向操纵量和机体俯仰角突增现象，因此通过诱导速度间接考虑旋翼/平尾气动干扰的全机配平难于准确反映低速状态旋翼/平尾气动干扰对旋翼纵向操纵量和机体姿态特性的影响。中等速度和高速前飞状态下，旋翼尾迹离开平尾上表面，旋翼与平尾气动干扰强度较弱，平尾气动载荷变化较小，因此直接计算旋翼/平尾非定常气动干扰后得到的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角与基于诱导速度的计算结果相似。因此，通过直接计算旋翼尾迹干扰下的平尾非定常气动载荷，本文方法更准确体现旋翼/平尾气动干扰对直升机全机配平特性影响，并更准确分析直升机低速纵向操纵量和机体俯仰突增特性。
二、平尾构型对直升机全机配平特性的影响
1.平尾垂向位置
根据平尾构型定义，保持平尾的纵向位置不变，将平尾高度分别调整为－0．328Ｒ、－0．24Ｒ、0．05Ｒ，得到低、中、高平尾。通过计算得到低、中、高平尾的旋翼操纵量和机体姿态随前飞速度变化。过渡阶段，由于旋翼尾迹与平尾干扰较弱，3种平尾向下载荷基本相同，因此旋翼纵向操纵量和机体俯仰角均相似。低速阶段，由于旋翼尾迹与低、中置平尾干扰显著，旋翼尾迹贴近低、中
平尾表面，低、中置平尾向下气动载荷较大，因而旋翼纵向操纵量和机体俯仰角突增量较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆相比于低平尾，旋翼尾迹的干扰作用减弱，气动载荷减小，中平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角明显减小，约为低平尾的58．6%和56．5%。由于旋翼尾迹远离高平尾下表面，旋翼尾迹/高平尾干扰较弱，因此高平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角缓慢增加。中高速阶段，旋翼尾迹逐步远离低、中置平尾上表面，旋翼尾迹/平尾干扰较弱，气动载荷较小，因此中、低平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角突增量较小，而旋翼尾迹逐步靠近高平尾，并贴近高平尾表面，旋翼尾迹/高平尾气动干扰仍然明显，气动载荷较大，因此高平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角均出现一定突增，但幅度较弱。
2.平尾纵向位置
保持高度不变，将平尾纵向位置分别调整为0．9Ｒ、1．18Ｒ、1．3Ｒ，得到前、中、后置平尾，对应的旋翼操纵量和机体俯仰角变化。前、中、后置平尾的旋翼操纵量和机体俯仰角随前飞速度的变化特性基本相似。过渡阶段到低速阶段，旋翼尾迹均靠近平尾表面，形成较明显的旋翼/平尾干扰，平尾气动载荷突增较大，因此3种平尾构型的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角均出现突增。但旋翼/前置平尾干扰对应的前飞速度较小，气动载荷较小，在平尾非线性气动载荷和力臂均减小的双重作用下，前置平尾的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角突增量较小，约为中置平尾的54．7%和60．0%，机体俯仰角得到抑制。相比中置平尾，后置平尾的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角突增峰值对应的前进比后移，推迟机体抬头的出现，但突增减小量较小，机体俯仰角并未得到有效抑制。
3．左右单边平尾
将平尾展长减半，得到左、右单边平尾。右旋直升机采用左、右单边平尾的旋翼操纵量和机体姿态角随前飞速度变化。单边平尾的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角随前飞速度的变化特性与对称平尾相似。过渡阶段，旋翼尾迹远离平尾下表面，旋翼/平尾干扰较弱，左、右单边平尾向下载荷基本相同，因此左、右单边平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角基本相同。低速阶段，受到后行桨距角增加，尾迹涡量强度增加，旋翼尾迹/左平尾干扰较强，左平尾向下载荷大于右平尾，因此左平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角大于右平尾。中高速阶段，为保证旋翼横向力矩平衡，后行边桨距增加，前行边桨距减小，后行边桨尖涡强度更大，旋翼尾迹/左平尾干扰较强，高置左单边平尾向下载荷大于右单边平尾，因此左单边平尾旋翼纵向操纵量和机体俯仰角大于右单边平尾，右平尾有利于抑制旋翼/平尾气动干扰产生的旋翼纵向操纵量和机体俯仰角突增。
结论
1)耦合旋翼/平尾气动干扰模型和GA/LM混合优化全机配平方法，建立旋翼/平尾气动干扰作用下的全机配平特性分析方法，相比于由诱导速度考虑旋翼/平尾干扰的常规全机配平方法，本文方法更准确体现旋翼/平尾气动干扰对直升机全机配平特性的影响，更准确分析直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角突增特性。
2)直升机低速阶段的纵向操纵量和机体俯仰角突增主要由旋翼/平尾气动干扰产生的平尾载荷变化所致，旋翼/平尾气动干扰对旋翼纵向操纵量和机体俯仰姿态特性影响显著。
3)受旋翼尾迹较强的干扰，低平尾直升机低速阶段纵向操纵量和机体抬头显著，高平尾直升机则较弱，但对应速度转移至中等速度。
4)相比于后置平尾，前置平尾直升机低速纵向操纵量和机体俯仰角显著减弱，但速度区间增加。
5)受旋翼后行桨叶桨尖涡强度较大的影响，右旋直升机右单边平尾有利于减小纵向操纵量和机体俯仰角。
参考文献
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[2]谭剑锋，王浩文，吴超，等．基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰研究［J］．航空学报，2014，35(3):643-656．
[3]曹义华．直升机机动飞行旋翼的气动力模拟［J］．航空学报，2009，20(1):39-42．
论文作者:李伟
论文发表刊物:《知识-力量》6中
论文发表时间:2018/10/15