旋翼近水面效应影响因素

白兴之，吴文华，*，林泽铖，范召林，张代贤，高福奎

(1.中国空气动力研究与发展中心 跨介质飞行器研究中心，绵阳 621000；2.中国空气动力研究与发展中心 空天技术研究所，绵阳 621000；3.中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000)

0 引 言

实验发现，不同于地面效应带来的增升、减阻，旋翼在非常接近水面时具有不同的气动特性，这种现象是由旋翼近水面效应造成的。该现象主要发生于跨介质飞行器的介质跨越阶段。

跨介质飞行器是一种可以多次跨越介质界面并长时间在空中飞行或水下潜航的飞行器，在海洋观测、通信中继等领域具有巨大的潜在应用价值[1-2]。优良的水空跨越能力是常规飞行器所不具备的，也是跨介质飞行器研制的技术难点。目前，跨介质飞行器进行介质跨越的方式主要有两种：（1）通过水空一体推进系统，在介质交界面处进行连续跨越[3-5]；（2）利用两套独立的推进系统在各自适用的介质中工作，通过单个推进系统或浮力控制系统将飞行器推至介质交界面，再启动另一套推进系统或浮力控制系统进行介质跨越[6-10]。两种跨越方式都存在一个共同点：机身具有一定高度的吃水线，使得跨介质飞行器旋翼与水面距离Hw明显小于常规飞行器旋翼与地面的距离Hg，如图1所示（图中D为旋翼的桨叶直径）。既不同于旋翼飞行器在固壁面上产生的地面效应[11-13]，也不同于固定翼飞行器在波浪面上产生的地面效应[14-16]，近水面效应作用下旋翼离介质交界面更近且交界面为水，在下洗气流的冲击下，水面发生剧烈变形，并破碎产生大量液滴，液滴与旋翼撞击使得旋翼受力情况变得非常复杂。

图1 近水面效应示意图Fig.1 Schematic of near water effect

近年来，国内外学者在跨介质飞行器介质跨越的飞控算法仿真研究中，一般基于传统地面效应经验公式[17]，或将流体密度处理为距离水面高度的函数[18-20]，以及采用空气桨叶的定常升力系数[21]来建立介质跨越动力学模型。在数值模拟研究中主要关注连续出入水过程中附加质量与空化对飞行器产生的扰动[22-23]、水面凹陷导致的地效变化[24-25]，而较少关注旋翼在近水面处高速转动诱导的复杂液滴场给旋翼气动特性造成的影响。

随着对跨介质飞行器研制的深入，在多个技术验证机的试飞过程中，人们逐渐认识到近水面效应对跨介质飞行器介质跨越的影响。Qi等[26]通过实验测量了四旋翼跨介质飞行器在离水面不同高度处悬停所需升力，提出了修正地效公式并设计了自抗干扰控制器以应对水面波动导致的内部扰动。霍雨佳等[27]首次通过实验发现了涵道风扇推进器在近水面处高速转动会使水面产生扰动与水汽，其推力相较于在空气中有着不同程度减弱。聂星宇等[28]发现涵道风扇的下洗气流扰动水面产生水花，导致近水面推力最大损失约70%。昂海松等[29]通过实验发现了倾转旋翼跨介质飞行器在水面直接升空时，脱水过程中存在不稳定现象。公开资料表明，国内外研制的跨介质飞行器仍处于“小型化”的技术验证阶段。小型无人机推重比大，介质跨越过程非常短暂，导致对于近水面效应的重要性认识不足，认为旋翼的近水面效应对跨介质飞行器的影响主要表现为一种“弱地效”。目前尚无近水面效应的系统性研究。

本文针对该研究领域的空白，通过地面、水面实验，研究了不同桨叶直径、桨叶类型的碳纤维旋翼的近水面效应，分析了近水面效应对旋翼气动性能影响因素，揭示了影响规律。研究结论对理解近水面效应的潜在危害、优化跨介质飞行器布局及旋翼设计、建立介质跨越阶段的精确动力学模型具有重要的参考意义。

1 实验系统

1.1 实验装置及模型

本文开展的近水面与地面实验均在水池中所搭建的近水面效应测试台上开展。测试台由两侧支架、主梁、升降机、传感器、数据采集盒、无刷电机、电调、旋翼桨叶及稳压电源构成，其中支架与升降机用于调节旋翼到水面/地面的距离，水面测试过程水深约0.3 m。测试台如图2所示。

图2 近水面效应测试台Fig.2 Experimental device for near water surface effects

实验旋翼为直径D= 0.56、0.25 m商用碳纤维桨叶，如图3所示。4个桨叶分别为：①D= 0.56 m薄翼型桨叶，作为基准桨叶研究地面效应与近水面效应差异；②D= 0.56 m厚翼型桨叶、③带小翼桨叶（除小翼外，其他参数与薄翼型桨叶基本相同），作为对照研究桨叶类型对近水面效应的影响；④D= 0.25 m桨叶，作为对照研究桨叶直径对近水面效应的影响。薄翼型桨叶与厚翼型桨叶的不同径向截面处翼型差异如表1所示。实验过程中桨叶的桨距角均不发生改变。

表1 桨叶不同截面处翼型对比Table 1 Airfoils at different radial positions of blades

图3 旋翼桨叶模型Fig.3 Tested rotor blade models

1.2 测控设备

近水面效应测试台布置了拉力、扭矩、转速、直流电流、直流电压传感器来测量相关物理量。由于测试过程中会有大量液滴进入桨盘，导致光电类测速传感器的反射光线均无法精准返回，测量存在巨大误差。因此测量过程中采用了桨叶上固定微型磁铁与贴近桨叶的霍尔传感器配合的方式来测量转速，如图4所示。

图4 传感器布置Fig.4 Sensors placement

2 实验方法

由于不同桨叶类型的旋翼最大转速不同，因此统一采用遥控器油门输入值作为数据采集节点。通过升降机将旋翼置于不同离地面/水面高度处，操作遥控器调至不同油门，在每个油门值下记录3 s实时的拉力、扭矩、转速、直流电流、直流电压数据，在数据处理时按每个油门值下的平均值处理。

采集数据对应的油门值为：40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，旋翼水面、地面实验的高度Hw与Hg的区间均为 (0.1R，4R)，R为桨叶半径。

拉力、扭矩、功率采用无量纲处理，拉力系数、力矩系数与功率系数可表达为[30]：

其中：T为旋翼产生的拉力；Q为电机输出扭矩；P为电机输出功率；ρ为空气密度，1.225 kg/m3；ω为旋翼角速度，rad/s；n为转速，r/min。

Hg= 4R时的工况视为远离壁面无地效（out of ground effect, OGE）工况，为量化近水面效应（near water effect, NWE）与地面效应（in ground effect, IGE）的差别，近水面相对近地面工况时拉力损失T_loss、拉力系数损失CT_loss、转速损失n_loss分别为：

其中：下标g表示近地面工况，w表示近水面工况。通过分析计算，NWE相较于IGE的拉力与拉力系数损失、转速损失的关系为：

由于液滴群对旋翼桨叶存在非定常作用，不同时刻旋翼与液滴接触的数量不同，导致旋翼拉力存在一定范围的波动，因此可以用拉力波动系数Tfluc来描述液滴与旋翼作用的剧烈程度：

其中，Tmax、Tmin、Tave分别为当前油门下测得的拉力最大值、最小值、平均值。

为验证水气交混流场是否对电机造成损坏导致实验不可重复，相同直径桨叶的水面、地面实验始终采用同一个电机，先完成水面实验，再开展地面测试，实验后电机性能数据与出厂性能数据相同，验证了电机无损坏，因此旋翼近水面效应实验具有可重复性。

本文绘图所用数据均采用高斯滤波处理。

3 结果与分析

实验表明，旋翼在近水面处转动时，会形成一个大尺度的波浪-液滴-空气混合流场（以下简称水气交混流场）。根据旋翼转速与Hw的不同，水气交混流场的形成与演化过程可简单分为三个阶段。在第一阶段时，在强劲下洗气流的作用下，诱导水面变形下凹，生成向四周周期性扩散的螺旋状波浪；在凹陷的边缘出现水花，大量液滴在水花边缘破碎并向四周泼溅，少量液滴被向上卷起但是未进入桨盘与旋翼碰撞，如图5所示。

图5 水气交混流场第一阶段Fig.5 The first stage of mixed air-water flows

随着旋翼转速增加与Hw降低，液滴泼溅增强并产生向内聚拢趋势，大部分液滴以聚集泼溅状到达较低高度、较远距离；在翼尖涡的作用下，少量液滴以点散状飞溅到较大高度并掉入桨盘，同时伴有向四周周期性扩散的水雾，如图6所示，形成第二阶段。

图6 水气交混流场第二阶段Fig.6 The second stage of mixed air-water flows

随着Hw进一步降低至贴近水面处，水面凹陷加剧，大量液滴从水面卷起、破碎，并伴有大量向上升起的水雾，向四周泼溅的液滴变大且泼溅距离更远。落入桨盘的液滴数量急剧增加，产生明显的旋翼桨叶与水撞击的声音，此为第三阶段。该阶段类似于直升机的“沙盲”现象[31-32]，强劲的翼尖涡卷起附近轻小物体，如图7所示。

图7 水气交混流场第三阶段Fig.7 The third stage of mixed air-water flows

3.1 近水面效应作用下旋翼拉力特性

图8、图9为D= 0.56 m薄翼型旋翼在近地面和近水面工况下的拉力特性曲线，横坐标采用对数坐标表示，单独标注出了0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、1、2、4这几个关键节点。对比可以看出，旋翼在近水面工况下产生的拉力系数始终高于无地效工况，但是小于地效工况，因此近水面效应具有一定的增升效果。增升机制与地面效应相同，主要源于地面/水面对旋翼下洗气流的阻滞产生的高压区。由图9可以看出在低油门输入（40%～60%油门）时旋翼处于线性增升区，NWE的CT曲线与IGE的CT曲线趋势相同，但是略低于IGE工况下的CT，类似于一种“弱地效”。产生该现象的主要原因为，在水气交混流场演化的第一阶段，旋翼尾迹到达水面后不会立刻滞止和向四周偏转，而是将自由液面下压形成水面凹陷，部分气压用于维持水面的下凹变形，同时水面凹陷增大了水面到旋翼的距离Hw，因此近水面工况中旋翼下方的高压区相对较弱，增升效果相对较弱。

图8 D = 0.56 m薄翼型桨叶近地面工况下的拉力特性Fig.8 Thrust characteristics of the thin airfoil blade with a diameter of 0.56 m in near-ground conditions

图9 0.56 m薄翼型桨叶近水面工况下的拉力特性Fig.9 Thrust characteristics of the thin airfoil blade with a diameter of 0.56 m in near-water conditions

在高油门时（70%～100%油门），在远离水面的0.7R~2R范围内CT曲线接近于线性增长，在0.6R附近出现了拐点，随着Hw降低，CT曲线呈现出“先减小后增大”的趋势，且油门越低，拐点出现的位置越靠近水面。这是由于在水气交混流场的第二阶段（图6），液滴开始进入桨盘，与旋翼撞击造成的。在水气交混流场的第三阶段（图7），大量液滴进入桨盘，液滴与旋翼产生剧烈作用导致CT损失越大，且由于旋翼十分接近水面，水面凹陷增大，高压区进一步减弱，导致满油门的NWE相较于IGE增升效果不明显。

图10展示了两个典型Hg与Hw下IGE与NWE拉 力 系 数 的 对 比。在Hg= 0.5R处、转 速3400～4100 r/min区间内，IGE、NWE的拉力系数几乎相同，表明此时相对较弱的水面凹陷对于旋翼增升效果影响不大。在转速超过4100 r/min左右后，IGE的增升效果随着转速增大而少量增加；而NWE的曲线较为平坦，增升效果弱于IGE，表明此时一定程度的水面凹陷减弱了旋翼的增升效果，形成一种“弱地效”现象，且衰减效果随着转速增大而增大。在转速超过6100 r/min后，液滴开始进入桨盘，NWE的曲线出现了明显的下降趋势。在Hg= 0.1R处、转速3400～4700 r/min区间内，一定程度的水面凹陷与波浪造成了IGE与NWE的增升效果出现明显的差别。当转速超过4700 r/min后，液滴开始进入桨盘，转速越大液滴与旋翼作用越剧烈，使得该转速区间内拉力系数急剧降低。

图10 0.56 m薄翼型桨叶NWE、IGE、OGE拉力系数与转速关系Fig.10 Relationship between thrust coefficient and rotor speed of D = 0.56 m thin airfoil blade with near-surface effect, inguound effect and out of ground effect

NWE中液滴与旋翼的作用与飞行器在降雨环境中飞行时雨滴对翼型气动特性的影响相似[33-35]，其作用机制可能为液滴与桨叶前缘撞击，减弱了吸力面前缘的低压区[36]，或是桨叶表面形成的水膜[37]（图11）、水流层引起了桨叶表面粗糙度变化，进而导致翼型升力系数的减小与阻力系数的增加。由于缺乏对水气交混流场中液滴粒径、速度、降雨率的定量测量，液滴与旋翼相互作用导致CT降低的机制与效果有待进一步研究。

图11 桨叶上残留的水膜Fig.11 Water film remained on the blade

3.2 近水面效应作用下旋翼拉力损失分析

由图12、图9可以看出，相较于IGE，NWE拉力损失T_loss最大约为31%（以0.1R为例），拉力系数损失CT_loss最大约为21%，说明有其他因素导致总拉力的降低。

图12 D = 0.56 m桨叶近水面/近地面、100%油门下拉力与拉力系数的对比Fig.12 Thrust and thrust coefficient comparison of D = 0.56 m thin airfoil blade between IGE and NWE under 100% throttle

如图13，在近水面处由于液滴浓度较大，旋翼在大量液滴的撞击下转速降低，NWE相对IGE的测量所得拉力损失与式（7）计算所得拉力损失曲线相重合，表明拉力损失是CT与n降低共同导致的。其中CT降低是由液滴与旋翼作用导致的前缘压力变化以及水面变形导致的下翼面高压区变弱等因素所造成的，转速n降低是由液滴撞击高速旋翼造成扭矩增大造成的。其中n_loss最大约为6%，CT_loss最大约为21%。转速损失对拉力损失的贡献随着Hw增大而减小，直至Hw= 0.6R时，液滴与旋翼撞击导致转速降低的效果几乎已不存在，只有水面变形导致的高压区减弱造成CT降低。由于大尺度的液滴场与剧烈的水面变形总是同时存在的，仅在转速较高、Hw较小的工况下出现，因此目前难以将水面附近高压区削弱与液滴对旋翼作用导致的拉力系数降低程度进行解耦与评估。

图13 100%油门NWE拉力损失构成Fig.13 Distribution of thrust loss under NWE state compared with IGE under 100% throttle

3.3 近水面效应作用下旋翼扭矩特性

如图14，从Hg= 0.5R附近开始，扭矩随着Hg减小而减小。该现象是由于IGE中固壁面的存在，使得翼尖处下翼面向上翻转的气流减少，旋翼翼尖涡强度被削弱，进而导致诱导阻力减少造成的。

图14 D = 0.56 m薄翼型桨叶IGE扭矩特性Fig.14 Moment characteristics under IGE state of D = 0.56 m thin airfoil blade

如图15，旋翼在NWE影响下，低油门工况下的扭矩特性曲线趋势与IGE相同，随着Hw减小而减小，表明旋翼在靠近水面时同样存在翼尖涡被抑制的情况。但是NWE的减阻效果相对较弱，在40%油门时，CQ拐点在Hw= 0.5R处；50%油门时，CQ拐点在Hw= 0.3R处，因此可能是凹陷的水面增加了旋翼到水面的距离，削弱了水面对翼尖涡的抑制作用，导致低油门下NWE的CQ大于IGE的CQ、小于OGE的CQ。

图15 D = 0.56 m薄翼型桨叶NWE扭矩特性Fig.15 Moment characteristicss of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE state

在高油门工况下，NWE的CQ始终大于OGE的CQ。Hw＞ 0.6R时，曲线都是接近水平；当Hw＜0.6R，CQ随着Hw减小而明显增大，这是由于液滴开始进入桨盘，与旋翼撞击产生阻力，尤其是在Hw=0.1R～0.3R内，随着液滴与桨叶的剧烈作用CQ急剧增加。此外，CQ增加的另一可能原因为：凹陷的水面偏折了IGE中旋翼尾迹经地面偏转后形成的壁面射流[38]，使其部分向斜上方发展，形成绕过翼尖的环流，进而增强了翼尖涡。

从图16可见，在Hw= 0.5R处、转速3400～4700 r/min区间内，IGE、OGE、NWE工况下的扭矩系数曲线几乎重合，随着转速增大，少量液滴开始与旋翼撞击，导致NWE的扭矩系数出现缓慢增长。在Hw= 0.1R处、转速3400～4700 r/min区间内，旋翼贴近水面导致翼尖涡被明显削弱，扭矩小于OGE工况，但大于IGE工况，且扭矩系数变化趋势与图10中拉力系数变化趋势相同。但随着转速增大，进入桨盘液滴增多，扭矩明显增大，远高于OGE。因此在最危险的Hw=0.1R工况下，转速3400～4700 r/min区间内近水面效应具有减阻效果，在4700～6500 r/min区间内近水面效应具有增阻效果。

3.4 近水面效应作用下旋翼转速特性

对比图17与图18，IGE相比OGE，转速n随着Hg减小而增大，n最大增加4.21%，这是由于翼尖涡被抑制导致CQ减小造成的。

NWE在低油门工况下，n随着Hw减小而增大，n增大原因与IGE相同。高油门下n随着Hw减小而减小，相比OGE，转速最大减小2.86%。这是由于高油门工况下水气交混流场的液滴与桨叶撞击使得CQ增大、n降低。

3.5 近水面效应作用下旋翼功率特性

如图19，在IGE作用下，Hw= 0.1R～0.5R区间内旋翼诱导阻力减小，随着Hg减小电机扭矩、功率降低。如图20，在NWE作用下，Hw= 0.7R～4R区间内功率几乎没有变化。在Hw= 0.1R～1.2R区间内，低油门工况下的CP曲线保留了IGE的特征，CP随着Hw减小而减小，但是变化幅度较小；高油门工况下，CP随着Hw减小而增大，主要原因为旋翼受到液滴的撞击导致电机输出扭矩增大，转速降低。

图19 D = 0.56 m薄翼型桨叶IGE功率特性Fig.19 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade under IGE state

图20 D = 0.56 m薄翼型桨叶NWE功率特性Fig.20 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE state

由图21可看出，以Hw= 0.1R为例，NWE与IGE有相同的特征：相较于OGE，相同功率下拉力更高，相同拉力下需用功率更低。不同之处在于IGE仅需较低功率便可获得较大增升效果，在相同控制信号下需用功率更小；而相较于IGE，NWE需付出更大功率的代价来获得较少的增升效果，在相同控制信号下需用功率更大。

图21 D = 0.56 m薄翼型桨叶NWE、IGE、OGE功率与拉力关系（Hw = 0.1R，Hg = 0.1R）Fig.21 Thrust versus power of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE、IGE、OGE state (Hw = 0.1R，Hg = 0.1R)

值得注意的是，相较于电机在OGE与IGE中持续高功率工作后产生的高温导致电机效率受到影响，电机在NWE下长时间工作后温度增加不明显，这与液滴群有直接关系。电机工作过程中大量液滴冲刷电机外壳，形成对流换热，使得电机在每组测试后温度接近于常温。

3.6 旋翼桨叶类型对近水面效应影响

如图9、图22、图23薄翼型、厚翼型与带小翼桨叶的拉力特性曲线趋势、拐点出现位置基本相同。厚翼型桨叶CT波动幅度较大，且在Hw= 0.1R～0.3R区间内曲线较为平缓，表明液滴对其拉力影响更大，可能是厚翼型桨叶前缘半径较大，与液滴撞击较多，导致前缘低压区减弱程度更大造成的。

图23 D = 0.56 m带小翼桨叶NWE拉力特性Fig.23 Thrust characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under NWE state

对比图15、图24、图25薄翼型、厚翼型与带小翼桨叶的扭矩特性曲线，部分趋势相同，其中厚翼型桨叶在Hw= 0.5R～4R区间内扭矩系数较高，这是本身翼型厚度大造成的；然而在0.1R～0.5R区间内扭矩增长相对平缓，表明在液滴剧烈作用区内阻力增加程度相对较小，这可能与厚翼型桨叶的弯度有关。在每种桨叶质量几乎相同的情况下，较低的弯度使得附在翼面上的水膜较少（图11），桨叶附加质量较低，转动惯量较小，因此受到扭矩较小。

图24 D = 0.56 m厚翼型桨叶NWE扭矩特性Fig.24 Torque of D = 0.56 m thick airfoil blade for NWE

图25 D = 0.56 m带小翼桨叶NWE扭矩特性Fig.25 Torque of D = 0.56 m blade with winglet for NWE

对比图18、图26、图27，相比OGE，薄翼型桨叶转速最大减小2.86%，带小翼桨叶转速最大减少4.97%，厚翼型桨叶最大减少1.04%。相较于其他类型桨叶，带小翼桨叶向下翻转的小翼更接近水面，相当于桨尖的Hw更小，部分桨叶与液滴作用更剧烈，因此受到的扭矩最大，转速降低程度最大。厚翼型桨叶转速变化最小，与其扭矩变化程度最小是相对应的。

图26 D = 0.56 m厚翼型桨叶NWE转速特性Fig.26 Rotor speed characteristics of D = 0.56 m thick airfoil blade under NWE state

图27 D = 0.56 m带小翼桨叶NWE转速特性Fig.27 Rotor speed characteristics D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under under NWE state

对比图20、图28与图29，同扭矩特性曲线一样，厚翼型桨叶在Hw= 0.5R～4R区间内功率系数较高，而在0.1R～0.5R区间内功率增长最平缓，进一步验证了厚翼型桨叶受到液滴的作用导致扭矩增加的程度是最小的。

图28 D = 0.56 m厚翼型桨叶NWE功率特性Fig.28 Power characteristics of D = 0.56 m thick airfoil blade under NWE state

图29 D = 0.56 m带小翼桨叶NWE功率特性Fig.29 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under NWE state

如图22、图26与表2所示，虽然液滴对厚翼型桨叶拉力造成影响更明显，但是厚翼型桨叶具有良好的扭矩特性，转速降低程度最小，因此近水面效应作用下最大拉力相较于其他类型桨叶无明显差异。

表2 D = 0.56 m不同类型桨叶最大拉力对比 （Hw = 0.1R）Table 2 Maximal thrust for different types of blades with D = 0.56 m (Hw = 0.1R)

如图25、图27与表3所示，翼尖小翼会使得旋翼在水气交混流场中所受扭矩明显增大，该现象可能是小翼带来的等效翼展增大以及向下偏转的小翼更接近水面造成的。

表3 D = 0.56 m不同类型桨叶最大扭矩对比（Hw = 0.1R）Table 3 Maximal torque for different types of blades with D = 0.56 m (Hw = 0.1R)

3.7 旋翼桨叶直径对近水面效应影响

为了研究桨叶直径对近水面效应的影响，进行了直径为0.25 m和0.56 m桨叶的对比研究，结果见图30～图35。D= 0.25 m碳纤维桨叶的CT曲线如图30所示，相较于D= 0.56 m桨叶的CT曲线（图8）最低70%油门与最远0.5R处就出现拐点，D= 0.25 m桨叶在NWE下线性增升段明显增多，仅在90%、100%油门下0.2R处才开始出现拐点，大部分NWE工况下都处于类似于地效的线性增升区间，结合图31的实验现象，可看出D= 0.25 m桨叶即使在0.1R处以100%油门工作时，尚属于水气交混流场的第二阶段，部分液滴进入桨盘而无水雾产生，说明D=0.25 m桨叶受到液滴场剧烈作用区间较小，且相互作用程度较低，因此不同直径桨叶的近水面效应是不同的。

图30 D = 0.25 m桨叶NWE拉力特性Fig.30 Thrust characteristicss of the blade with a diameter of 0.25 m under NWE state

图31 D = 0.25 m桨叶诱导的水气交混流场（Hw = 0.1R）Fig.31 Mixed air-water flows induced by the blade with D = 0.25 m (Hw = 0.1R)

如图32、图33、图34所示，0.25 m桨叶的CQ随着Hw减小而减小，n较为稳定无明显变化，表明在整个NWE工况中水面对于旋翼存在减阻效果，其中对翼尖涡的抑制作用占主导，液滴与旋翼撞击导致的扭矩增加的现象不明显。0.25 m桨叶的CT、CQ特性更像是一种“弱地效”。

图32 D = 0.25 m桨叶NWE扭矩特性Fig.32 Torque characteristics of D = 0.25 m blade under NWE state

图33 D =0.25 m桨叶NWE转速特性Fig.33 Rotor speed characteristics of D =0.25 m blade under NWE state

图34 D = 0.25 m桨叶NWE功率特性Fig.34 Rotor power characteristics of D = 0.25 m blade under NWE state

如图35所示， 在Hw= 0.1R时，0.56 m桨叶拉力波动最大达9%，而0.25 m桨叶拉力波动最大仅为4%，说明液滴与旋翼相互作用相对较弱，符合0.25 m桨叶拉力以线性增升段为主、扭矩减小以及转速稳定的结论。值得注意的是，液滴与旋翼的撞击具有非定常性，产生的拉力波动可能是导致旋翼类跨介质飞行器在近水面处悬停时姿态不稳定的重要潜在因素。

图35 不同直径桨叶拉力波动系数Fig.35 Thrust fluctuation coefficient comparison among blades of different diameters

在IGE条件下，Hg＞0.5R时，不同桨叶类型或直径的旋翼拉力增升效果都基本符合Cheeseman与Bennet提出的地效模型[11]，Hg/R越小，增升效果越大。然而在NWE条件下，旋翼诱导的水气交混流场的形成与演化与n、Hw、D均密切相关（图9），因此不能简单地用无量纲数Hw/R来估算近水面效应的增升效果，近水面效应的相似准则有待进一步研究。

此外，0.56 m桨叶在多组实验后出现了明显的非对称结构损伤，如图36、图37所示。该损伤最早出现于0.35R处，Hw越小，损伤程度越明显。损伤主要表现在翼尖的前缘，上翼面与下翼面前缘均有复合材料的层间分层与纤维断裂，而下翼面更为明显。而0.25 m桨叶在长时间承受破坏性测试（Hw= 0.1R、100%油门）后未出现任何损伤迹象。

图36 D = 0.56 m桨叶下翼面结构损伤Fig.36 Structural damage on lower wing of D = 0.56 m blade

图37 D = 0.56 m桨叶上翼面结构损伤Fig.37 Structural damage on upper wing of D = 0.56 m blade

4 结 论

本文提出了旋翼近水面效应概念：旋翼近水面效应是由旋翼非常接近水面时诱导水气交混流场引发的，主要包含水面凹陷与液滴群对旋翼的作用。通过开展旋翼近水面、地面实验，初步认识了近水面效应的影响因素，发现了近水面效应影响规律，得出以下结论：

1） 水面凹陷降低了旋翼拉力，形成一种“弱地效”现象。而液滴群对旋翼的作用主要体现在：（1）类似于雨滴对飞行器的作用导致拉力降低；（2）大量液滴撞击旋翼导致扭矩增大、转速降低、需用功率增大；（3）对碳纤维桨叶造成非对称结构损伤。

2） 对于直径0.56 m桨叶，低油门工况下近水面效应产生线性增升、扭矩减小的效果，高油门工况下出现非线性增升、扭矩增大、转速降低的效果。

3） 近水面效应的拉力-功率特性较为特殊，相较于无地效工况，相同功率下拉力更高，相同拉力下需用功率更低。在相同控制信号下拉力更大，需用功率更大。

4） 近水面效应明显受桨叶尺寸影响，在不同尺寸下水气交混流场形态差异较大，液滴对旋翼作用的剧烈程度不同，这导致了传统地效拉力模型不适应于近水面效应。

由于水气交混流场中液滴群的粒径、速度等参数不会随着电机、发动机功率的增大而以相同增幅变化，因此上述结论仅适用于该实验中所测试的桨叶。