共轴刚性旋翼高速直升机配平策略优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29069

Abstract

Abstract:

The maximum cruise speed and maximum level flight speed are among the most important performance indexes for coaxial rigid rotor high-speed helicopters， whose special configuration and operating mechanism lead to serious rotor hub loading problems. The trim strategy design parameters such as high-speed flight pitch attitude， horizontal tail installation angle， differential lateral cyclic pitch， and rotor speed， induce significant cross-coupling effects on the required power， rotor hub loads， controllability， and stability. In this paper， the optimal design method of the trim strategy for high-speed flight is conducted under the handling qualities requirements. The aim is to provide a methodology for achieving the optimal trim strategy that achieves the best trade-off between flight performance and rotor hub loads. Firstly， based on the nonlinear flight dynamics model of the coaxial rigid rotor high-speed helicopter， the impact of design parameters of different trim strategies on the trim characteristics， stability， and controllability was analyzed. Subsequently， the trim strategy design problem was described as a mathematical optimization problem. Lastly， to improve optimization computational efficiency and reduce the risk of optimization failure， the trim strategy optimization design was conducted based on the Kriging surrogate model. The optimization results indicate that， at the maximum cruise speed and maximum flight speed， the required power is reduced by 5.7% and 6.9% under the optimal power trim strategy compared to the baseline strategy； the rotor hub moment load is reduced by 55.6% and 55.2% under the optimal rotor hub moment trim strategy； the required power is reduced by 1.8% and 3.1%， and the hub moment load is reduced by 49.4% and 46.2%， under the integrated optimal strategies for both power and hub moment. These results validate the effectiveness of the proposed optimization design method for trim strategy.

Key words: coaxial rigid rotor high-speed helicopter, trim characteristics, trim strategy, Kriging model, optimized design

CLC Number:

V211.52

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Figures/Tables 38

Fig.1

Fig.2

Table 1

Fig.3

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References 37

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参数	取值
推力螺旋桨桨毂中心位置/m	［-7.6 0 0］
推力螺旋桨桨叶片数	3
推力螺旋桨半径/m	1.3
推力螺旋桨转速 /（rad·s^-1）	209.4
推力螺旋桨实度	0.20

变量	基本配平策略（方案1）	优化配平策略（方案2）
俯仰角/（°）	0	3.43
平尾安装角/（°）	0	-4.21
无量纲旋翼转速	0.90	0.83
横向周期变距差动/（°）	0	2.32
升力偏置	0.31	0.29
操纵极性反向	否	否
纵向短周期模态阻尼比	0.54（等级1）	0.57（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.28（等级1）	0.28（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.45（等级1）	0.52（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.52（等级1）	1.44（等级1）
桨毂合力矩/（N∙m）	95 567.99	65 123.72
总需用功率/kW	2 788.26	2 628.72

变量	基本配平策略（方案1）	优化配平策略（方案3）
俯仰角/（°）	0	3.17
平尾安装角/（°）	0	-5.84
无量纲旋翼转速	0.90	0.82
横向周期变距差动/（°）	0	2.00
升力偏置	0.32	0.29
操纵极性反向	否	否
纵向短周期模态阻尼比	0.50（等级1）	0.42（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.28（等级1）	0.27（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.48（等级1）	0.41（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.61（等级1）	1.50（等级1）
桨毂合力矩/（N∙m）	100 549.09	63 436.41
总需用功率/kW	4 101.90	3 819.90

变量	基本配平策略（方案1）	优化配平策略（方案4）
俯仰角/（°）	0	4.14
平尾安装角/（°）	0	-5.18
无量纲旋翼转速	0.90	1.00
横向周期变距差动/（°）	0	3.06
升力偏置	0.31	0.14
操纵极性反向	否	否
纵向短周期模态阻尼比	0.54（等级1）	0.60（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.28（等级1）	0.26（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.45（等级1）	0.54（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.52（等级1）	1.63（等级1）
J₂/（N∙m）	95 567.99	42 419.24
总需用功率/kW	2 788.26	2 865.27

变量	基本配平策略（方案1）	优化配平策略（方案5）
俯仰角/（°）	0	4.42
平尾安装角/（°）	0	-5.74
无量纲旋翼转速	0.90	1.00
横向周期变距差动/（°）	0	2.32
升力偏置	0.32	0.15
操纵极性反向	否	否
纵向短周期模态阻尼比	0.50（等级1）	0.59（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.28（等级1）	0.26（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.48（等级1）	0.60（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.61（等级1）	1.75（等级1）
J₂/（N∙m）	100 549.09	45 017.28
总需用功率/kW	4 101.90	4 266.07

Optimized design of trim strategy for coaxial rigid rotor high-speed helicopter

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变量	方案6
俯仰角/（°）	4.87
平尾安装角/（°）	-6.00
无量纲旋翼转速	1.00
横向周期变距差动/（°）	0.90
升力偏置	0.17
操纵极性反向	否
纵向短周期模态阻尼比	0.63（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.27（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.59（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.64（等级1）
J₂/（N∙m）	48 370.23
总需用功率/kW	2 736.93

变量	方案7
俯仰角/（°）	4.75
平尾安装角/（°）	-6.00
无量纲旋翼转速	0.94
横向周期变距差动/（°）	2.16
升力偏置	0.22
操纵极性反向	否
纵向短周期模态阻尼比	0.54（等级1）
荷兰滚模态阻尼比	0.26（等级1）
纵向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	0.54（等级1）
横向操纵功效/（rad∙s^-2∙cm）	1.68（等级1）
J₂/（N∙m）	54 103.47
总需用功率/kW	3 975.401

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