直升机旋翼噪声研究概述

　　引　言

　　现代直升机的主要振源之一是旋翼,对于远场而言,旋翼的噪声要大于发动机的噪声。从某种意义上说,直升机旋翼噪声在很大程度上限制了其在现代社会中的进一步广泛应用,各国对其都很重视。1993年,美国陆军航空兵司令部提出未来直升机技术发展计划,其中提出了将振动、噪声水平降低50%的要求;欧洲直升机公司的未来10年发展计划中也提出了把外部噪声降至低于ICAO标准10EPNdB,内部噪声低于80dB的要求。直升机旋翼噪声远比一般噪声复杂,降低旋翼噪声是一个多学科交叉的课题,涉及到空气动力学、飞行力学、动力学、声学、材料学、控制技术等多门学科。如何认识和减少旋翼噪声对于直升机设计十分重要,它的研究水平显示了一个国家的科技水准。

　　1　旋翼空气动力学的发展

　　旋翼空气动力学是研究运动中的旋翼与周围空气相互作用,产生空气动力学现象的学科,是研究旋翼噪声的理论基础。

　　由于桨叶处于旋转、平移的复合运动状态,使得旋翼桨叶流场为一个具有强烈的非定常和非线性特征的复杂流场。人们对其的认识和理解经历了一个由浅到深的过程。19世纪船用螺旋桨的研究产生了旋翼滑流理论[1],到20世纪初,Betz将该理论应用到飞机的螺旋桨上,随后Glauert又把它用于前飞的旋翼,成为了旋翼空气动力学的开端[2]。Drzewi-wcki于19世纪末提出了桨叶叶素理论,把机翼升力线理论应用于旋翼桨叶中,为旋翼空气动力学奠定了基础[3]。上世纪初,Joukowski开始了涡流理论的研究,到上世纪中期,涡流理论逐渐受到众多研究者的关注,包括我国学者王适存在内的许多研究者用涡流理论解决了一些旋翼空气动力学的理论问题[4][5][6],但由于普遍采用固定尾迹,没有考虑到尾迹的收缩和涡线的畸变,因此与实际情况还有一定差距。随后发展的预定尾迹理论,运用基于流动实验总结出的桨尖涡和内段涡面结构随旋翼参数变化的半经验公式来确定尾迹的几何形状,在一定程度上弥补了固定尾迹的不足。但预定尾迹理论也有不足之处,它十分依赖试验,无法考虑非试验情况时的影响,只适用于矩形桨叶,不能适用于具有新型桨尖叶型的现代旋翼[2]。现代涡流理论采用自由尾迹,允许涡线随当地气流速度自由的移动,并可以考虑桨叶、尾迹、涡线之间的相互干扰。许多研究者用它研究了前飞、悬停状态的流场,取得了很好的效果[7][8][9]。固定尾迹、预定尾迹和自由轨迹理论构成了旋翼涡流理论,并在不断向前发展。上述理论的发展使旋翼的流场计算成为可能,产生并推动了旋翼流场计算的CFD(计算流体力学)方法。按旋翼尾迹的不同处理,旋翼流场求解方法可分为两种,一种为求解时将流场控制方程与旋翼尾迹模型耦合,称为欧拉/拉格朗日(Euler/Lagrange)法;另一种不附加尾迹模型,尾迹作为解的一部分存在,称为欧拉(Euler)法[2]。70年代开始,计算机在飞行器的气动分析中开始发挥重要作用,旋翼空气动力学的计算也经历了跨音速流动位势方程,欧拉(Euler)方程,到求解雷诺平均纳维-斯托克斯(N-S)方程的发展阶段,并仍在随着计算机技术的发展而快速发展[10]。