剪刀尾桨气动干扰与非常规布局参数影响

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32181

第二届空天前沿大会/第二十七届中国科协年会优秀论文

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

剪刀尾桨气动干扰与非常规布局参数影响

朱王清¹^,², 曹宸恺¹^,²(), 赵国庆¹^,², 朱清华¹^,², 胡浩宇¹^,²

^1.南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016
^2.南京航空航天大学直升机研究院，南京 210016

收稿日期:2025-02-26 修回日期:2025-03-27 接受日期:2025-04-28 出版日期:2025-05-08 发布日期:2025-05-06
通讯作者: 曹宸恺 E-mail:cck1208@nuaa.edu.cn
基金资助:
中国博士后科学基金(2024M764240)

Aerodynamic interference of scissor tail rotor and influence of unconventional layout parameters

Wangqing ZHU¹^,², Chenkai CAO¹^,²(), Guoqing ZHAO¹^,², Qinghua ZHU¹^,², Haoyu HU¹^,²

^1.National Key Laboratory of Helicopter Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.Helicopter Research Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-02-26 Revised:2025-03-27 Accepted:2025-04-28 Online:2025-05-08 Published:2025-05-06
Contact: Chenkai CAO E-mail:cck1208@nuaa.edu.cn
Supported by:
China Postdoctoral Science Foundation(2024M764240)

摘要/Abstract

摘要：

与传统尾桨相比，剪刀尾桨因调制效应具有一定的降噪优势，但上、下旋翼间气动干扰诱发了气动效率损失问题。为了揭示剪刀尾桨的气动干扰机理，结合嵌套网格技术，构建了基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的剪刀尾桨高精度流场数值模拟方法，开展了悬停状态下剪刀尾桨上、下旋翼气动干扰特性研究。系统分析了剪刀角、翼型、后掠桨尖等外形和布局参数对气动特性的影响规律，提出上、下旋翼不同总距配置、不同桨盘半径等非常规剪刀尾桨构型，并开展了气动干扰特性分析。结果表明：在总距不变的前提下，“U”型剪刀尾桨整体拉力与剪刀角呈现正相关，上、下桨盘拉力呈现此消彼长的变化特性；通过对比3种典型直升机尾桨翼型，OA翼型应用于剪刀尾桨中时悬停效率最佳；采用后掠构型虽不会提高剪刀尾桨的最大悬停效率，但可延缓尾桨的桨尖失速。非常规构型方面，通过实施下桨盘半径增大10%的改进方案，可使最大悬停效率较常规构型提升12.5%；合理调整下桨盘总距（较上桨盘增加2°）能优化载荷分配，实现整体效率2.4%的增益。

关键词: 剪刀尾桨, 气动特性, 悬停状态, 气动干扰, 非常规布局

Abstract:

Compared with conventional tail rotors， scissor tail rotors exhibit certain noise reduction advantages due to their modulation effect， but suffer from aerodynamic efficiency loss caused by aerodynamic interference between upper and lower rotors. To improve the aerodynamic efficiency of scissor tail rotors， this paper employs overset grid technology to establish a high-precision numerical simulation method based on Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes （URANS） equations. The aerodynamic interference characteristics between the upper and lower scissor tail rotors in hover state is investigated. The research systematically analyzes the influence of configuration parameters including scissor angle， airfoil type， and swept blade tips on aerodynamic performance. Unconventional configurations featuring differential collective pitch settings and varying rotor disk radii between upper and lower rotors are proposed and evaluated.Results indicate that： Under constant total collective pitch， the “U”-type scissor tail rotors total thrust shows positive correlation with scissor angle， while upper and lower rotor thrusts demonstrate a seesaw relationship. Moreover， among three typical helicopter tail rotor airfoils， the OA airfoil achieves optimal hover efficiency. Additionally， swept blade tip configuration delays tip stall without improving maximum hover efficiency. For unconventional configurations： increasing lower rotor radius by 10% enhances maximum hover efficiency by 12.5% compared to conventional designs. Appropriately adjusting lower rotor collective pitch （+2° relative to upper rotor） optimizes load distribution， achieving 2.4% overall efficiency gain.

Key words: scissor tail rotor, aerodynamic characteristics, hover state, aerodynamic interference, unconventional layout

中图分类号:

V211.52

朱王清, 曹宸恺, 赵国庆, 朱清华, 胡浩宇. 剪刀尾桨气动干扰与非常规布局参数影响[J]. 航空学报, 2025, 46(S1): 732181.

Wangqing ZHU, Chenkai CAO, Guoqing ZHAO, Qinghua ZHU, Haoyu HU. Aerodynamic interference of scissor tail rotor and influence of unconventional layout parameters[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(S1): 732181.

图/表 25

图 1

表1

图 2

表2

图3

表3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

表4

图 14

图 15

图 16

图 17

表5

图 18

图 19

图 20

参考文献 24

[1]	XU G H， WANG S C， ZHAO J G. Experimental and analytical investigation on aerodynamic characteristics of helicopter scissors tail rotor［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2001， 14（4）： 193-199.
[2]	XU G H， ZHAO Q J， PENG Y H. Study on the induced velocity and noise characteristics of a scissors rotor［J］. Journal of Aircraft， 2007， 44（3）： 806-811.
[3]	李志彬，孙伟，张羽霓，等. 剪刀式尾桨侧滑状态气动力及噪声特性计算［J］. 北京航空航天大学学报， 2024， 50（12）： 3794-3805.
	LI Z B， SUN W， ZHANG Y N， et al. Computation on aerodynamic and aeroacoustic characteristics of scissor tail-rotor under sideslip condition［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2024， 50（12）： 3794-3805 （in Chinese）.
[4]	李志彬，杨永飞，孙伟，等. 剪刀式尾桨前飞状态气动噪声特性计算［J］. 航空动力学报， 2022， 37（12）： 2691-2706.
	LI Z B， YANG Y F， SUN W， et al. Computation on aeroacoustic characteristics of scissors tail-rotor in forward flight［J］. Journal of Aerospace Power， 2022， 37（12）： 2691-2706 （in Chinese）.
[5]	樊枫，史勇杰，徐国华. 剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究［J］. 航空学报， 2013， 34（9）： 2100-2109.
	FAN F， SHI Y J， XU G H. Computational research on areodynamic and aeroacoustic characteristics of scissors tail-rotor in hover［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（9）： 2100-2109 （in Chinese）.
[6]	樊枫，徐国华，史勇杰. 基于N-S方程的剪刀式尾桨前飞状态气动力计算研究［J］. 空气动力学学报， 2014， 32（4）： 527-533.
	FAN F， XU G H， SHI Y J. Computational research on aerodynamic forces of scissors tail-rotor in forward flight based on the N-S equations［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2014， 32（4）： 527-533 （in Chinese）.
[7]	朱正，招启军，王博. 剪刀式尾桨涡流干扰机理和气动特性研究［J］. 力学学报， 2016， 48（4）： 886-896.
	ZHU Z， ZHAO Q J， WANG B. Studies on vortex interaction mechanism and aerodynamic characteristic of scissors tail rotor［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2016， 48（4）： 886-896 （in Chinese）.
[8]	陈丝雨，招启军，范俊，等. 悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析［J］. 航空动力学报， 2019， 34（5）： 1050-1060.
	CHEN S Y， ZHAO Q J， FAN J， et al. Optimization analysis for aerodynamic noise characteristics of scissors tail rotor in hover［J］. Journal of Aerospace Power， 2019， 34（5）： 1050-1060 （in Chinese）.
[9]	SPALART P， ALLMARAS S. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows［C］∥30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 1992.
[10]	VAN LEER B. Towards the ultimate conservative difference scheme［J］. Journal of Computational Physics， 1997， 135（2）： 229-248.
[11]	YOON S， JAMESON A. Lower-upper symmetric-Gauss-seidel method for the Euler and Navier-Stokes equations［J］. AIAA Journal， 1988， 26（9）： 1025-1026.
[12]	POTSDAM M A， STRAWN R C. CFD simulations of tiltrotor configurations in hover［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2005， 50（1）： 82-94.
[13]	THOMAS P D， MIDDLECOFF J F. Direct control of the grid point distribution in meshes generated by elliptic equations［J］. AIAA Journal， 1980， 18（6）： 652-656.
[14]	ZHAO Q J， XU G H， ZHAO J G. New hybrid method for predicting the flowfields of helicopter rotors［J］. Journal of Aircraft， 2006， 43（2）： 372-380.
[15]	WANG B， ZHAO Q J， XU G H， et al. Numerical analysis on noise of rotor with unconventional blade tips based on CFD/Kirchhoff method［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（3）： 572-582.
[16]	MEAKIN R. A new method for establishing intergrid communication among systems of overset grids［C］∥10th Computational Fluid Dynamics Conference. Reston： AIAA， 1991.
[17]	ZHAO Q J， XU G H， ZHAO J G. Numerical simulations of the unsteady flowfield of helicopter rotors on moving embedded grids［J］. Aerospace Science and Technology， 2005， 9（2）： 117-124.
[18]	CARADONNA F X， TUNG C. Experimental and analytical studies of a model helicopter rotor in hover［C］∥European Rotorcraft and Powered Lift Aircraft Forum. 1981.
[19]	HARRINGTON R D. Full-scale-tunnel investigation of the static-thrust performance of a coaxial helicopter rotor： NACA-TN-2318［R］. Washington， D.C.： NACA， 1951.
[20]	QI H T， XU G H， LU C L， et al. A study of coaxial rotor aerodynamic interaction mechanism in hover with high-efficient trim model［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 84： 1116-1130.
[21]	LAKSHMINARAYAN V K， BAEDER J D. High-resolution computational investigation of trimmed coaxial rotor aerodynamics in hover［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2009， 54（4）： 042008.
[22]	LAKSHMINARAYAN V K， BAEDER J D. Computational investigation of microscale coaxial-rotor aerodynamics in hover［J］. Journal of Aircraft， 2010， 47（3）： 940-955.
[23]	卢丛玲，史勇杰，徐国华，等. 共轴刚性旋翼悬停状态气动干扰机理［J］. 南京航空航天大学学报， 2019， 51（2）： 201-207.
	LU C L， SHI Y J， XU G H， et al. Research on aerodynamic interaction mechanism of rigid coaxial rotor in hover［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2019， 51（2）： 201-207 （in Chinese）.
[24]	YUAN X， BIAN W， ZHAO Q J， et al. Numerical investigation of aerodynamic interactions for the coaxial rotor system in low-speed forward flight［J］. Aerospace Science and Technology， 2024， 149： 109148.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
半径/m	0.409 55
根切	0.2R
弦长/m	0.06
桨叶片数	4
扭转	-11.3，线性
轴间距	0.1R
桨尖速度/（m·s^-1）	208.8
翼型	OA309

网格量/10⁴	拉力系数C_T	扭矩系数C_Q
600	0.019 88	0.002 791
1 400	0.022 25	0.002 653
2 200	0.022 27	0.002 652

参数	数值
半径/m	3.18
根切	0.2R
弦长/m	0.379 6
桨叶片数	4片
扭转	无
轴间距/m	0.609 6
桨尖速度/（m·s^-1）	119.8

构型	上桨盘拉力/N	下桨盘拉力/N	总拉力/N
常规构型	332.28	199.92	532.21
上旋翼后掠	324.65	203.28	527.94
下旋翼后掠	332.88	190.91	523.79
双后掠	325.22	194.19	519.41

下桨盘半径	下桨盘拉力/N	上桨盘拉力/N
R_low=0.8R_up	38.0	352.7
R_low=0.9R_up	85.9	351.5
R_low=1.0R_up	187.8	328.1
R_low=1.1R_up	349.0	303.4

剪刀尾桨气动干扰与非常规布局参数影响

Aerodynamic interference of scissor tail rotor and influence of unconventional layout parameters

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 25

参考文献 24

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨芃芊, 陈禹彤, 刘俊辉, 杨杰豪, 单家元, 孙士珺. 串列翼货运无人机大攻角气动与操稳特性[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 131056-131056.
[2]	陈玲玲, 张杨, 施永强, 杨青真. 气膜冷却矢量喷管冷却/气动/红外辐射特性[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 631139-631139.
[3]	杨一凡, 王潇. 基于改进混合涡粒子法的倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰研究[J]. 航空学报, 2025, 46(7): 131040-131040.
[4]	王冶平, 吉洪蕾, 周攀, 叶毅. 基于涡管模型的倾转四旋翼气动干扰快速分析[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130705-130705.
[5]	王冶平, 吉洪蕾, 康清宇, 邓皓轩, 王畅. 集成多旋翼气动干扰的UAM飞行动力学模型[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531280-531280.
[6]	贾贺, 蒋伟, 包文龙, 徐欣, 荣伟, 余莉. 行星探测用柔性降落伞跨/超声速气动特性及耦合机理[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630369-630369.
[7]	邹天琪, 薛晓鹏, 赵党军, 杨德贵, 梁步阁. 透气性对盘帆伞充气性能和气动特性的影响[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630373-630373.
[8]	薛晓鹏, 贾贺, 荣伟, 蒋伟, 包文龙, 王臻, 邹天琪, 代雨柔, 周一苇. 高速柔性气动减速器关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 631677-631677.
[9]	孙大智, 陈希, 鲍为成, 卞威, 招启军. 高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529142-529142.
[10]	孙朋朋, 刘平安, 樊枫, 曾伟. 悬停状态共轴刚性旋翼机身气动干扰特性[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529284-529284.
[11]	邓景辉. 电动垂直起降飞行器的技术现状与发展[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529937-529937.
[12]	张夏阳, 高陈诚, 招启军, 梁家辉. 前飞状态可变弯度翼型/旋翼气动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(24): 630609-630609.
[13]	周攀, 陈仁良, 杨柠檬, 聂博文, 李国强. 倾转四旋翼飞行器操纵策略[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 130165-130165.
[14]	李海星, 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良. 砂纸冰对民机平尾气动特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128657-128657.
[15]	李斌, 张泽南, 贾飞, 孙健, 刘彦菊, 冷劲松. 变翼尖机翼技术研究现状与发展趋势[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 30042-030042.