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。

针对倾转旋翼,开展了悬停及巡航状态气动特性的风洞试验和数值模拟研究。试验中,采用六分量天平和扭矩天平,测量了悬停和巡航状态下的旋翼拉力和扭矩,获得了一些倾转旋翼悬停效率和巡航效率的试验数据,验证了设计的倾转旋翼的气动性能。为了分析流场特征,采用运动嵌套网格方法,通过求解NS方程对倾转旋翼流场进行数值模拟,并开展了数值模拟与风洞试验的相关性对比分析研究,验证了数值模拟方法的有效性。同时,获得了桨叶表面压力、桨尖涡以及诱导速度分布特性。

以NACA0012为基准翼型,生成C型结构网格,采用SA湍流模型求解NS方程,获得基准翼型压力分布数值模拟结果。找出翼型上表面前缘低压区域和后缘高压区域,在两个区域进行开孔,让后缘高压区域气流通过导流管引流到前缘区域,加速翼型上表面气流流动,增大翼型速度环量。通过基准翼型与开孔翼型气动特性对比分析可知:小迎角下,基于压力分布的开孔翼型阻力系数略有增大,但能有效提高翼型的升力系数。

为研究双层平尾对旋翼/平尾干扰的抑制机理,采用基于动量源模型的CFD方法建立了旋翼/平尾干扰计算模型,获得了不同前进比下的不同平尾构型的旋翼/平尾气动干扰计算结果,分析了旋翼干扰状态下的不同构型平尾的载荷和流场特点。结果表明平尾干扰载荷在前进比0.05时最大,相比单层平尾,双层平尾的干扰载荷下降约43%;双层平尾的上下双层设计降低了单层平尾面积,减小了由于旋翼尾迹撞击在上层平尾上而产生的干扰载荷;由于上层平尾的遮挡作用,减弱了旋翼尾迹对下层平尾的干扰作用。

为研究水平转弯状态的旋翼气动噪声特性,基于Camrad II计算得到的旋翼非定常气动载荷,采用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程计算了旋翼气动噪声特性。在相同转弯半径下计算分析了前进比对旋翼气动力和噪声的影响;同时基于二级声辐射模型开展了地面声场计算。计算结果表明旋翼拉力和桨涡干扰会对旋翼噪声产生影响,在某些工况下都可能起主导作用;合理地选择转弯状态可以降低旋翼噪声水平。当转弯半径为40 R时,左转弯状态最佳前进比为0.25,右转弯状态最佳前进比为0.2;不同前进比对应的最大地面等效连续声级差异能够达到7 dB。

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。