高原环境对直升机旋翼性能的影响分析

文 | 中航工业昌河飞机工业集团公司 蔡 伟 曾卫东 吴奎发

高原环境对直升机旋翼性能的影响分析

Effect of Plateau Environment on Helicopter Rotor Performance

文 | 中航工业昌河飞机工业集团公司 蔡 伟 曾卫东 吴奎发

针对高原环境直升机旋翼性能的估算，建立了一个基于自由涡理论的旋翼尾迹模型，并推导了旋翼拉力和功率的计算方法。以UH-60黑鹰直升机为算例，分别计算了其在海平面及高原环境的旋翼性能，探讨了海拔高度对直升机旋翼性能的影响规律。计算结果表明，高原环境的气候条件对直升机旋翼性能有显著影响，旋翼拉力较海平面环境减小约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.

直升机；高原环境；旋翼性能；自由涡

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

引言

直升机是一种依靠旋翼为主要升力面和操纵面的飞行器，具有不需跑道便可起降的独特性能。我国地形复杂，雪灾、地震等自然灾害频发，雪域高原地带尤为显著，直升机以其垂直起降、空中悬停等优势在紧急救援任务中发挥着至关重要的作用。然而，高原环境具有温差大、气压低、空气密度低等特点[1]，对直升机的飞行性能提出严峻考验。以旋翼性能为例，由于大气雷诺数及密度的降低，旋翼桨叶遭遇的气流环境更趋恶化，其有效升力降低明显，某些飞行状态下还会伴随桨叶气流分离引起的失速现象[2]。因而，通过考察直升机旋翼性能在高原环境的变化规律，探讨建立适合于高原环境直升机飞行性能的研究方法，具有重要的现实意义。

不论直升机作定常还是非定常飞行，其旋翼气流环境在高原地带都将发生显著变化，尾迹结构亦出现明显的不同，这给估算高原环境下的旋翼性能带来较大困难。在国外，关于直升机旋翼的试验和研究主要集中在低海拔高度的流场环境下进行，针对高原环境旋翼性能研究的文章并不多。而在国内，已有学者关注高原环境对机械、产品的性能影响规律，例如，石爱勤等人[3]对高原环境工程机械适应性技术进行了研究，但针对直升机旋翼性能在高原环境的研究文章鲜见公开发表。

本文假定直升机发动机功率储备足够，拟采用自由涡理论模拟桨叶空气动力的作用，分别对UH-60黑鹰直升机在低海拔及高海拔地域的旋翼性能开展计算和分析，以期得出高原环境对直升机旋翼性能的影响规律。

1 尾迹模型及数值求解

开展旋翼性能计算的关键在于捕捉旋翼尾迹结构[4]，而悬停旋翼下方复杂的流场环境及尾迹间的相互干扰使得计算旋翼尾迹结构成为一个困难。本文为计入旋翼尾迹剧烈的收缩效应，拟建立一个当今应用较多的卷起桨尖涡模型。桨叶后缘拖出的自由涡以当地速度向下游移动，其中，桨尖涡的卷起服从Betz卷起规则[5]。

将整个旋翼尾迹分为近尾迹和远尾迹，近尾迹由桨叶尾随涡构成，远尾迹为向下游移动的桨尖涡，如图1所示。旋翼空间诱导速度来自桨叶附着涡（图1中未示出）、尾随涡及桨尖涡的共同贡献，计算的依据是毕奥-萨发尔定理。

将单根尾迹涡线的控制方程写作

2 旋翼性能的计算

在对旋翼尾迹进行求解之后，便可逐步计算旋翼流场及桨叶升力，进而确定不同海拔高度条件下的旋翼拉力和功率。其中，旋翼消耗的功率包括诱导功率Pi和型阻功率Po，即

由Joukowski定律，桨叶单位长度上的升力为

式中，t为空气密度，Wi是剖面来流速度，Ci是桨叶微元的附着环量。

由此，将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。将剖面升力与到旋翼轴的向量做矢积，并取平行于旋翼轴的矢积分量进行求和，便得到旋翼消耗的诱导功率系数。

至于型阻功率的求解，需要借助于二元翼型数据表，并查找相应的翼型阻力系数。这样就可得到桨叶剖面型阻，从而确定旋翼的型阻功率系数。

表 1 不同旋翼总距时的旋翼拉力对比

3 算例及分析

以UH-60黑鹰直升机为算例，分别计算其在不同海拔条件下的旋翼性能，并针对高原环境下旋翼性能下降幅度进行分析。

采用本文建立的旋翼性能计算方法，计算不同旋翼总距时的旋翼拉力，将结果示于表1中。计算过程中，低海拔地域为海平面高度，而高海拔则选择4000米高原环境。桨叶翼型SC1095的型阻系数可通过查询文献[7]中的数据得到。

从表1的计算结果中可清楚地看到，随着旋翼总距角的增大（旋翼拉力系数增大），在海平面及高原环境下旋翼拉力均呈增大趋势，但高原环境的旋翼拉力增大量小于海平面环境。并且，在同一旋翼总距条件下，高原环境的旋翼拉力显著低于海平面环境，约降低30%。这意味着，直升机若在高原环境飞行，需要更多的发动机功率储备。

为了更直观地表达不同海拔高度对旋翼性能的影响规律，对两种海拔条件下的直升机旋翼功率进行了计算，并将计算结果示于图2中。

图2中的计算数据表明，在高原环境下直升机旋翼功率显著低于海平面环境，约减小33%。但随着旋翼总距角的增加，旋翼功率的增大趋势是一致的。从图中还可看到，当拉力系数较大时，旋翼功率的增大趋势更加明显。若在高原环境下增大总距角，则需进一步提高直升机的可用功率。

4 结束语

我国的青藏高原具有丰富的资源储备和重要的战略地位，直升机以其无需跑道、机动灵活等特点在该地域的抢险救灾、物资运输、反恐维稳等行动中发挥着不可替代的重要作用。开展高原环境直升机旋翼性能的研究、探讨旋翼性能在高原环境下的变化规律，以及摸索提升直升机高原性能的方法，是本文的立意所在。以直升机旋翼为研究对象，本文分别进行了海平面及高原环境旋翼性能的计算，讨论了海拔高度对直升机旋翼性能的影响规律。可得到如下结论：

4.1 受气压、大气密度变化等因素的影响，高原环境下直升机旋翼性能显著下降；

4.2 随旋翼总距角的增大，高原环境旋翼拉力较海平面环境增加缓慢；在同一总距条件下，高原环境旋翼拉力较海平面环境约减小30%；

4.3 高原环境的旋翼功率显著低于海平面环境；在大桨距条件下，旋翼功率的增加趋势更加明显；

4.4 直升机在高原环境执行飞行任务，需发动机提供足够功率储备。

[1] 德庆措姆，索朗旦西，西藏气候的初步分析[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] 石爱勤，罗国玺，靳生盛，高原环境下工程机械使用技术[J], 青海大学学报，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] 赵景根： 直升机旋翼/机身气动干扰的研究[D]， 南京，南京航空航天大学，2001。

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

蔡伟（1983-），男，江西浮梁人，工程师，工学硕士，2009年毕业于南京航空航天大学。主要研究方向：直升机空气动力学及直升机总体设计。