本文综合考虑了旋翼、机身、平尾气动特性,建立了共轴刚性直升机XH-59A前飞气动力模型。旋翼性能计算建立在叶素动量理论和Pitt/Peters入流模型的基础上,考虑了上下旋翼的相互干扰和周期变距,获得旋翼和直升机的力和力矩随旋翼总距的变化,验证了风洞试验结果,预测的旋翼的推力系数为试验值的88%~101%。针对直升机前飞时保持力和力矩平衡,构建了基于梯度优化方法的快速通用配平策略,控制参数包括上下旋翼总距、横向和纵向周期变距,以及桨盘倾角。预测了控制参数随前进比的变化,与飞行试验数据进行了对比,在前进比0~0.4范围内,控制参数的变化趋势相同,桨盘倾角、总距、纵向周期变距最大相差6°,差动总距最大相差1°,横向差动距最大相差2.4°,验证了气动配平和性能分析的可靠性。

采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的CFD方法和运动嵌套网格技术,建立了共轴刚性旋翼/机身气动干扰分析方法,并采用风洞试验数据进行了验证。计算分析了不同总距下共轴刚性旋翼与机身间的气动干扰特性。结果表明,随总距增加,旋翼拉力逐渐增大,但由于旋翼和机身的相互干扰现象,旋翼和机身的拉力总和降低。这是由于受旋翼下洗流影响,机身会产生较大的呈四阶变化负升力,导致总拉力降低。此外还发现,在机身干扰作用下旋翼非定常拉力峰值显著增大,桨盘平面诱导速度分布更加不均。

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此，本文通过求解可压雷诺平均N-S（Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟，获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明，随前进比增大，桨叶展向拉力分布更加趋于合理，拉力中心向桨叶中段移动，可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供，升力偏置量过大容易产生激波诱导失速，不利于高速前飞。

针对共轴刚性旋翼上下旋翼间复杂气动干扰问题，利用4 m直径共轴刚性旋翼缩比模型开展了悬停及前飞状态风洞试验研究。试验中，采用两套六分量天平对共轴刚性旋翼的上下旋翼进行分开测力，并测量了相同操纵量输入时的孤立单旋翼气动力。通过分析双旋翼状态下的上下旋翼与孤立单旋翼的气动力的对比结果，研究了共轴刚性旋翼在悬停及前飞状态下的气动干扰特性。在此基础上，还进行了升力偏置对气动干扰影响的试验研究。结果表明:随着旋翼前进比的增大，上下旋翼之间的气动干扰逐渐减弱，共轴刚性旋翼的非对称气动干扰会使得双旋翼升力偏置增大。

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法（Arbitrary Lagrange Euler，ALE）描述的可压缩Navier-Stokes（N-S）方程求解流场，采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平，引入“差量修正“策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先，对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算，然后，对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算，并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内，扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度，可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。

采用前行桨叶概念（Advancing blade concept，ABC）的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力，然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此，本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计，通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS（Reynold-saveraged Navier-Stokes，RANS）方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟，在此基础上建立了代理模型结合遗传算法（Genetic algorithm，GA）的高效共轴旋翼气动布局优化方法，以前飞升阻比为目标函数进行优化，得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升（前进比为0.6状态下升阻比提升约30%），证明了优化的有效性。

建立了一个基于Navier-Stokes（N-S）方程的共轴刚性旋翼气动干扰数值模拟方法。应用运动嵌套网格技术模拟双旋翼反转运动。通过与试验值对比，验证了方法的有效性。分析了共轴刚性旋翼悬停状态的气动性能和流场特征，结果表明，双旋翼气动干扰主要来自4个方面:双旋翼尾迹涡相互诱导引起“涡诱导效应“，使上旋翼气动性能优于下旋翼;双旋翼周期性相遇-离开过程中桨叶附着涡干扰引起“载荷效应“，对应拉力周期性升降波动;双旋翼相遇时“厚度效应“使双旋翼拉力产生相反的脉冲波动;上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起垂直“桨-涡干扰效应“，使下旋翼桨叶展向拉力分布受到干扰。

文章建立了一种基于N-S方程的共轴刚性旋翼流场数值模拟方法。通过对比不同前行桨尖马赫数旋翼的实验结果,验证了该方法的准确性和模拟ABC旋翼的适用性。运用商业软件ANSYS ICEM划分非结构化网格,采用了滑移网格和动网格技术,在FLUENT求解器中使用UDF程序实现了桨叶周期变距运动,对在悬停及大速度前飞状态下的XH-59A旋翼流场进行了数值模拟计算。计算结果表明:XH-59A旋翼在悬停状态上旋翼对下旋翼的气动干扰比较大,但随着前飞速度的增加,干扰逐渐减小;上下旋翼间的气动干扰随总距的增加呈先增大后减小的趋势。