CN118094771A - 一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法和系统，其中，旋翼桨距的计算与模拟方法包括：建立倾转旋翼机旋翼桨距的方程表达式，旋翼桨距的方程表达式包括叶根桨距；使用旋翼桨距方程表达式结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度和垂直翼型来流相对速度，建立并推导拉力系数的方程表达式；使用该方程表达式求解叶根桨距；使用叶根桨距和旋翼总距的方程表达式计算得到倾转旋翼机的旋翼总距；使用旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。本申请的技术方案从直升机气动特点出发并考虑倾转旋翼机桨叶特点，推导出倾转旋翼机旋翼桨距和旋翼总距，其计算结果与实测结果能够较好吻合，解决了倾转旋翼机研制中旋翼桨距不会算和算不准的技术问题。

Description

一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法和系统

技术领域

本申请涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法和系统。

背景技术

现有构型的直升机存在着飞的速度低和气动效率低等缺点，严重制约其最大速度和航程。为解决上述问题，美国在上世纪70年代提出短距垂直起落的倾转旋翼机研制计划，终于在上世纪90年代研制出XV-15、V-22和AW609等类型的倾转旋翼机。倾转旋翼机能够将固定翼飞机和直升机融为一体，既能像直升机那样垂直起飞和悬停，又能像飞机那样高速巡航飞行，其飞行速度能够达到550km/h，航程超过2000km，这是直升机无法达到的性能。

目前，我国也已开始研制倾转旋翼机，现有的倾转旋翼机的完整研制资料包括美制倾转旋翼机XV-15在直升机模态和倾转模态气动力计算的方法和计算原始数据(简称现有资料[1])，另外包括这些飞行模态的计算结果(简称现有资料[2])。在研制新机的过程中我国曾用上述现有资料[1]中计算方法和原始数据推导得到的计算结果，与现有资料[2]中模态的计算结果存在较大差距。存在较大差距的原因可能是现有研制资料中的众多公式存在错误，没对其公式来源进行推导。为解决上述问题，现有技术从直升机气动特点出发推导公式，然而随着旋翼轴前倾角越来越大(如前倾大于60度)，旋翼的气动特性越来越接近螺旋桨，因此计算的桨距仍会与现有资料[2]存在差距，致使倾转旋翼机的研制工作陷入僵局。

作为研究人员，需要考虑倾转旋翼机的旋翼桨叶与直升机的旋翼桨叶有哪些不同。研究发现直升机的旋翼桨叶通常负扭转约-10°，是线性扭转；而倾转旋翼机的旋翼桨叶(如XV-15)负扭转约-40°，是非线性扭转(见图1)，这样在作为螺旋桨时有更好的气动效率。倾转旋翼机的旋翼桨叶有此特点会影响整个旋翼的气动力公式的计算(例如旋翼桨距的计算公式)。综上，应考虑倾转旋翼机的旋翼桨叶的非线性扭转特性对旋翼桨距造成的影响。

申请内容

本申请提供一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方案，能够解决现有技术中从直升机气动特点出发推导倾转旋翼机的计算公式，未考虑倾转旋翼机旋翼桨叶的非线性扭矩特性带来的计算误差大，研制工作陷入僵局的问题。

为解决上述问题，根据本申请的第一方面，本申请提出了一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，包括：

建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，旋翼桨距的方程表达式包括倾转旋翼机的叶根桨距；

使用包括叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；

使用拉力系数的方程表达式，求解叶根桨距；

使用求解的叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到倾转旋翼机的旋翼总距；

使用倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。

根据本申请的第二方面，本申请还提供了一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，包括：

旋翼桨距计算模块，用于建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，旋翼桨距的方程表达式包括倾转旋翼机的叶根桨距；

拉力系数推导模块，用于使用包括叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；

叶根桨距计算模块，用于使用拉力系数的方程表达式，求解叶根桨距；

旋翼总距计算模块，用于使用求解的叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到倾转旋翼机的旋翼总距；

飞行模态模拟模块，用于使用倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。

根据本申请的第三方面，本申请还提供了一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，包括：

存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序，倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序被处理器执行时实现如上述任一项技术方案提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法的步骤。

综上，本申请上述技术方案提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方案，从倾转旋翼机旋翼桨叶的旋翼桨距的最基本气动力公式出发，根据倾转旋翼机的桨叶结构特点对倾转旋翼机的旋翼总距进行推导，模拟倾转旋翼机的飞行模态。具体通过建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，使用该带有叶根桨距的旋翼桨距的方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；在得到拉力系数的方程表达式后使用该方程表达式求解叶根桨距。因为倾转旋翼机的拉力系数与旋翼轴前倾角正相关，而通过拉力系数的方程表达式求解叶根桨距，就建立了叶根桨距与旋翼轴前倾角(该旋翼轴前倾角直接影响旋翼桨叶的负扭转)的计算关系。从而方便使用倾转旋翼机的相关资料验证该叶根桨距的计算是否正确。然后使用叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式计算得到倾转旋翼机的旋翼总距，就能够使用该倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。综上，通过上述方案，从倾转旋翼机的旋翼桨距的最基本气动力方程出发，一步一步推导倾转旋翼机的叶根桨距和旋翼总距，以模拟倾转旋翼机的飞行模态，能够解决现有技术中从直升机气动特点出发推导倾转旋翼机的计算公式，解决现有技术未考虑倾转旋翼机的旋翼桨叶的非线性扭转特性带来的计算误差大，影响整个旋翼的气动力公式计算的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨叶的桨叶扭转角与桨叶相对半径关系的曲线图；

图2是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法的流程示意图；

图3是图2所示实施例提供的一种倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式的建立与推导方法的流程示意图；

图4是图3所示实施例提供的一种拉力系数的方程表达式的代入方法的流程示意图；

图5是图2所示实施例提供的一种叶根桨距的求解方法的流程示意图；

图6是图5所示实施例提供的一种使用方程表达式求解叶根桨距的方法的流程示意图；

图7是图2所示实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼总距的计算方法的流程示意图；

图8是图2所示实施例提供的一种飞行模态的模拟方法的流程示意图；

图9是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统的结构示意图；

图10-a是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨叶的正视图；

图10-b是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨叶的俯视图；

图10-c是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨叶的侧视图

图11-a是本申请实施例提供的一种旋翼轴前倾15度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图；

图11-b是本申请实施例提供的一种旋翼轴前倾30度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图；

图11-c是本申请实施例提供的一种旋翼轴前倾60度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图；

图12是本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统的结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

符号说明：

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

现有技术的技术方案存在如下技术问题：

现有技术从直升机气动特点出发推导公式，然而随着旋翼轴前倾角越来越大(如前倾大于60度)，旋翼的气动特性越来越接近螺旋桨，因此计算的桨距仍会与现有资料提供的数据存在差距，致使倾转旋翼机的研制工作陷入僵局。

为了解决现有技术中的问题，本申请下述实施例提供了倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方案，通过从倾转旋翼机的本申请的研究人员考虑到倾转旋翼机的旋翼桨叶与直升机的旋翼桨叶有哪些不同，研究发现直升机的旋翼桨叶通常负扭转约-10°，是线性扭转；而倾转旋翼机的旋翼桨叶(如XV-15)负扭转约-40°，是非线性扭转(见图1)，以便在作为螺旋桨时有更好的气动效率。倾转旋翼机的旋翼桨叶有此特点，会影响整个旋翼的气动力公式的计算，例如旋翼桨距的计算公式。旋翼桨距代表旋翼拉力的大小，在旋翼轴倾转过程中，其拉力逐渐变小而机翼的升力逐渐增大，直至旋翼拉力＝0而机翼承担全部飞机重量，因此，旋翼桨距的计算准确与否直接影响倾转旋翼机的研制全局。用本申请下述实施例推导的桨距公式计算结果与现有资料[2](参考文献：SAMUEL W.FERGUSON DEVELOPMENT ANDVALIDATION OF A SIMULATION FOR A GENERIC TILT-ROTOR AIRCRAFT,NASACR-1665371989.4)的数据吻合的很好，说明其公式的正确性，为新的倾转旋翼机研制攻克一技术难题。

为达到上述目的，参见图2，图2为本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法的流程示意图。如图2所示，该倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，包括：

S110：建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，旋翼桨距的方程表达式包括倾转旋翼机的叶根桨距。

具体地，作为一种优选的实施例，该建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式的步骤包括：使用倾转旋翼机的叶根桨距以及翼剖面与旋翼的相对半径，建立旋翼桨距的方程表达式：

其中，代表旋翼桨距，θ₀代表叶根桨距，F1、F2和F3均为方程系数，/>为翼剖面与旋翼的相对半径，θ₁为横向周期变距操纵量，θ₂为纵向周期变距操纵量，Ψ为桨叶方位角。这里F1、F2和F3为图1中的方程系数，具体地，F1＝39.09/57.3，F2＝-86.88/57.3，F3＝8.322/57.3。

本申请实施例提供的技术方案，首先考虑倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，这里从旋翼桨距的最基本力公式出发，根据倾转旋翼机的桨叶结构特性对倾转旋翼机的叶根桨距和旋翼桨距等参数进行推导，从而解决现有技术中从直升机气动特点触发推导倾转旋翼机的计算公式，导致未考虑倾转旋翼机的旋翼桨叶的非线性扭转特性带来的计算误差大，影响整个旋翼的气动力公式计算的问题。

在建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式后，还需要结合旋翼桨叶的翼型特点，建立倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式。

S120：使用包括叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式。

结合图10-a至图10-c所示的倾转旋翼的旋翼桨叶特点可知，图10-a为倾转旋翼机的旋翼桨叶的正视图；图10-b为倾转旋翼机的旋翼桨叶的俯视图；图10-c为倾转旋翼机的旋翼桨叶的侧视图。其中，

由图10-a所示的倾转旋翼机的旋翼桨叶的正视图可知，倾转旋翼机的垂直翼型来流相对速度的方程表达式如下：

其中，

为垂直翼型来流相对速度，/>为相对诱导速度，λ₀为流入比，r为翼剖面半径，/>为桨叶挥舞角速度，β为桨叶挥舞角，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度，v_p为飞机俯滚转角速率在桨毂中心引起的线速度，p为飞机滚转速率，q为飞机俯仰速度，Ψ为桨叶方位角。

由图10-b所示的倾转旋翼机的旋翼桨叶的俯视图可知，倾转旋翼机的翼型来流相对速度的方程表达式如下：

其中，为翼型来流相对速度，/>为相对半径，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度，v_p飞机俯滚转角速率在桨毂中心引起的线速度，Ψ为桨叶方位角。

沿旋翼桨叶半径方向的气流速度如下：

其中，为沿旋翼桨叶半径方向的气流速度，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度，λ₀为流入比。

桨毂中心产生的侧向速度如下：

v_p＝py_c，g+v；

其中，v_p代表由直升机绕重心滚转在桨毂中心产生的侧向速度(z向)，y_c，g为桨毂中心与重心的距离，v表示侧向速度。

结合图10-a至图10-c所示的倾转旋翼机的旋翼桨叶示意图可知作用在桨叶叶素上的力及气流速度，进而推导得到作用在旋翼桨叶上的拉力T_R。

T_R＝[T,F]C_T

其中，T_R为拉力，[T,F]为力的因子，大小为ρπΩ²R⁴，C_T为拉力系数。

拉力系数C_T计算公式如下：

这样将上述倾转旋翼机的翼型来流相对速度和垂直翼型来流相对速度代入拉力系数C_T的方程表达式即可。

具体地，作为一种优选的实施例，如图3所示，上述使用包括叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式的步骤，包括：

S121：建立倾转旋翼机的翼型来流相对速度的方程表达式：

其中，为翼型来流相对速度，/>为相对半径，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度，v_p飞机俯滚转角速率在桨毂中心引起的线速度，Ψ为桨叶方位角。

由图10-b可知，旋翼桨叶的相对半径、旋翼前进比、飞机俯仰角速度和滚转角速度在桨毂中心引起的线速度以及桨叶方位角，通过这些参数就能够计算得到倾转旋翼机的翼型来流相对速度。

S122：建立倾转旋翼机的垂直翼型来流相对速度的方程表达式：

其中，为垂直翼型来流相对速度，/>为相对诱导速度，λ₀为流入比，r为翼剖面半径，/>为桨叶挥舞角速度，β为桨叶挥舞角，p为飞机滚转速率，q为飞机俯仰速率。

在和/>的方程表达式中，v_p,v_q分别代表飞机滚转和俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度；β，/>分别为桨叶挥舞角和挥舞角速率，若只考虑一阶，则：

β＝a₀-a₁cosψ-b₁sinψ

同样，对的方程表达式展开，则形式如下：

由图10-a可知，旋翼桨叶的相对诱导速度、流入比、翼剖面半径、桨叶挥舞角速度、桨叶挥舞角、飞机滚转角和飞机俯仰速率和飞机滚转速率，通过上述参数就能够建立倾转旋翼机垂直于翼型来流相对速度的方程表达式。

S123：分别将旋翼桨距的方程表达式、翼型来流相对速度的方程表达式以及垂直翼型来流相对速度的方程表达式，代入倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式：

其中，C_T为拉力系数，k为桨叶片数，a为翼型升力线斜率，/>为桨叶相对宽度。

拉力系数也能够由计算得到，其中，T为旋翼拉力，ρ为空气密度，R为旋翼半径，Ω为旋翼倾转角速度。拉力系数大小取决于旋翼拉力，而旋翼拉力取决于直升机飞行重量和机翼等部件的升力，它随旋翼轴前倾角BAM和前飞速度等而变化。

S124：对代入后拉力系数的方程表达式进行积分。

能够拆分为如下形式：

那么，C_T＝C_T1+C_T2；

为了换算方便，在后面的积分中，经常用到的积分形式如下：

具体地，作为一种优选的实施例，如图4所示，上述步骤S123：分别将旋翼桨距的方程表达式、翼型来流相对速度的方程表达式以及垂直翼型来流相对速度的方程表达式，代入倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式，包括：

S1231：拆分倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式，分别得到：

S1232：将旋翼桨距方程表达式和翼型来流相对速度的方程表达式代入C_T1，得到：

对C_T1的上述积分形式继续拆分，能够拆分为如下5部分：

上述5部分分别标记为2.1.1、2.1.2、2.1.3、2.1.4和2.1.5具体拆分结果分别如下：

2.1.1：

对第一项计算结果如下：

2.1.2：

对第二项计算结果如下：

2.1.3：

对第三项计算结果如下：/>

2.1.4：

对第四项计算结果如下：

2.1.5：

对第五项计算结果如下：

S1233：对代入后的C_T1进行积分运算，得到C_T1的方程表达式：

其中，a为翼型升力线斜率，σ为实度，μ为旋翼前进比，FE0为叶根桨距。

将上述计算的第一项至第五项分别代入到C_T1中，计算得到的形式如下：

其中，若v_q＝v_p＝θ₁＝θ₂＝0，则：

S1234：将翼型来流相对速度的方程表达式和垂直翼型来流相对速度的方程表达式代入C_T2，得到：

S1235：对代入后的C_T2进行积分运算，得到C_T2的方程表达式：

其中，λ为垂直于桨毂旋转平面的气流速度；

具体地，针对因为/>

所以能够拆分为3项，即：/> 和

其中，的积分过程下述标记为2.2.1；/>

的积分过程，下述标记为2.2.2；

的积分过程，下述标记为2.2.3。

具体地，

2.2.1：

针对

2.2.1.1：

2.2.1.2：

2.2.1.3：

其中，针对该项：

2.2.1.3.1：

2.2.1.3.2：

2.2.1.3.3：

另外，针对上述2.2.1：

中第4子项和第5子项，积分形式如下：

2.2.1.4

2.2.1.5

另外，针对上述第2项，2.2.2：

将其积分形式划分为如下：2.2.2.1/>2.2.2.2/>2.2.2.3/>2.2.2.4/>和2.2.2.5/>

具体地，

2.2.2.1

2.2.2.2

其中，B为叶端损失系数，μ为旋翼前进比，v_q飞机俯仰角在桨毂中心引起的线速度，a₁为旋翼后倒角。

2.2.2.3

针对该2.2.2.3项，对其进行拆分，能够得到如下形式：

2.2.2.3.1：

2.2.2.3.2：

2.2.2.3.3：

其中，

2.2.2.3.1

其中，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速度在桨毂中心引起的线速度，v_p为飞机滚转角速度在桨毂中心引起的线速度，a₀为旋翼平均锥度角

2.2.2.3.2

2.2.2.3.3

另外，上述2.2.2.4项，的积分形式如下：

2.2.2.4

其中，B为叶端损失系数，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速度在桨毂中心引起的线速度，p为飞机滚转速率。

2.2.2.5

另外，针对上述2.2.3项：

能够进一步拆分为如下5项：

2.2.3.1：2.2.3.2：/>2.2.3.3：2.2.3.4：/>2.2.3.5：

具体地，

2.2.3.1

2.2.3.2

其中，v_p为飞机滚转角速度在桨毂中心引起的线速度，b₁为桨盘侧倒角。

2.2.3.3

其中，a₀为旋翼平均锥度角，a₁为旋翼后倒角，b₁为桨盘侧倒角。

针对2.2.3.3进行拆分，可得如下几项：

2.2.3.3.1

其中，v_p为飞机滚转角速度在桨毂中心引起的线速度；μ为旋翼前进比；v_q为飞机俯仰角速度在桨毂中心引起的线速，a₀为旋翼平均锥度角。

2.2.3.3.2

2.2.3.3.3

2.2.3.4

2.2.3.5

其中，B为叶端损失系数，q为飞机俯仰速度，v_p为飞机滚转角速度在桨毂中心引起的线速度。

则对上述.C_T的第二项积分结果如下：

其中，2和4,5和9小项能够相互抵消，则

若v_p＝v_q＝p＝q＝0，则

式中：λ为垂直于桨毂旋转平面的气流速度，流入比-相对诱导速度。

S1236：将积分运算后的C_T1和C_T2进行叠加，得到简化后的拉力系数的方程表达式。

通过上述方式能够分别对拉力系数.C_T进行拆分，得到C_T1和C_T2，分别对上述C_T1和C_T2进行积分运算，就能够得到简化后的拉力系数的方程表达式。

图2所示的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，在建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式后，还包括以下步骤：

S130：使用拉力系数的方程表达式，求解叶根桨距。

具体地，作为一种优选的实施例，如图5所示，上述步骤S130：使用拉力系数的方程表达式，求解叶根桨距的步骤，具体包括：

S131：将积分运算后的C_T1和C_T2进行叠加，得到简化后的拉力系数的方程表达式：

S132：使用拉力系数与叶根桨距的关系，根据拉力系数的方程表达式，推导叶根桨距的方程表达式：

；

其中，ASI为过渡参数，α为翼型升力线斜率，σ为实度，B为叶端损失系数，μ为旋翼前进比。

S133：使用叶根桨距的方程表达式，求解叶根桨距。

本申请实施例提供的技术方案，FE0＝θ₀即叶根桨距，它代表总距的大小；因在现有资料[2]中明确给出此值，而所给的总距比较复杂，不便对比，故拿叶根桨距进行对比。

另外，作为一种优选的实施例，如图6所示，上述步骤S133：使用叶根桨距的方程表达式，求解叶根桨距的步骤包括：S1331：获取旋翼前进比和垂直于桨毂旋转平面的气流速度值。

S1332：将旋翼前进比与垂直于桨毂旋转平面的气流速度值代入叶根桨距的方程表达式，计算得到叶根桨距。

本申请实施例提供的技术方案，在

中，旋翼前进比μ与垂直于桨毂旋转平面的气流速度λ是未知量，直接决定了FE0的具体数值和变化，因此使用旋翼前进比和垂直于桨毂旋转平面的气流速度值，代入上述叶根桨距的方程表达式，就能够计算得到叶根桨距。

图2所示实施例提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，在求解叶根桨距后，还包括以下步骤：S140：使用求解的叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到倾转旋翼机的旋翼总距。

具体地，作为一种优选的，如图7所示，该步骤S140：使用求解的叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到倾转旋翼机的旋翼总距，具体包括：

S141：对旋翼桨距进行微分，求解得到桨叶扭转角；

S142：将求解的叶根桨距和桨叶扭转角代入倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，求解倾转旋翼机的旋翼总距。

具体地，上述旋翼桨距的方程表达式，如下：

其中，/>代表旋翼桨距，θ₀代表叶根桨距，F1、F2和F3均为方程系数，/>为翼剖面与旋翼的相对半径，θ₁为横向周期变距操纵量，θ₂为纵向周期变距操纵量，Ψ为桨叶方位角。这里F1、F2和F3为图1中的方程系数，具体地，F1＝39.09/57.3，F2＝-86.88/57.3，F3＝8.322/57.3。

因为上述假设v_q＝v_p＝θ₁＝θ₂＝0，则原式：

能够化简为：

对该旋翼桨距的方程表达式进行微分，可得桨叶扭转角：

在时/>则总距：/>其中，/>代表总距，θ₀代表叶根桨距，k_a为挥舞调节系数，a₀₀代表预锥角。

其中，总距是0.75桨叶半径处的桨距值，该值是整个桨盘桨距的平均值，它反映了旋翼升力的大小和操纵能力。在大重量、高温和高原飞行时总距可能很大，有了总距值，可保证飞行的安全，不会出现超操纵。

角度从度转为弧度时的转换系数为57.3，而180°是一个π，180/3.1416＝57.296.。人们习惯用度衡量角度大小，而这里的数学运算必须化为弧度，因此上述总距的计算公式中采用57.3作为角度的转换系数。

图2所示实施例提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，在计算得到倾转旋翼机的旋翼总距后，还包括以下步骤：S150：使用倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。

具体地，作为一种优选的实施例，如图8所示，上述旋翼桨距的计算与模拟方法中，S150：使用倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态的步骤包括：S151：分别计算倾转旋翼机中不同旋翼轴前倾角对应的叶根桨距。由上述内容可知拉力系数大小取决于旋翼拉力，而旋翼拉力随着旋翼轴前倾角BAM变化而变化，上述叶根桨距的计算公式中，也是通过拉力系数推导得到的，因此倾转旋翼机的叶根桨距叶是随着BAM变化而变化的。通过比较倾转旋翼机的叶根桨距和BAM值，就能够与现有资料进行比对，从而验证上述计算得到的叶根桨距值。

S152：将不同旋翼轴前倾角对应的叶根桨距与现有资料对应的叶根桨距进行对比，验证计算的叶根桨距值。

具体地，本申请实施例提供的技术方案中，按非线性扭转公式计算的叶根桨距ST0＝FE0＝θ₀与现有资料[2]的对比如下：倾转旋翼机在直升机模态BAM＝0°，随着前飞速度增加，其飞行模态从过渡模态转为飞机模态。即BAM从0°转为90°。在倾转过程中，旋翼拉力从等于飞机重量到旋翼垂直拉力＝0，所以叶根桨距随着BAM的增加而减小。

其中，图11-a为旋翼轴前倾15度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图，图11-b为旋翼轴前倾30度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图；图11-c为旋翼轴前倾角60度桨叶叶根桨距的对比曲线示意图。结合图11-a至图11-c可知，A表示美国的现有资料[2]在旋翼轴前倾角一定度数时，叶根桨距的变化情况；B表示本申请上述实施例计算得到的叶根桨距在旋翼轴前倾角一定度数时的变化情况。

由上述图11-a至图11-c可知，本申请实施例在旋翼轴前倾角不同度数时桨叶的叶根桨距的对比结果与现有资料[2]非常吻合，说明推导的结果是正确的，本申请上述计算公式能够用于倾转旋翼机的桨距计算。

综上，本申请实施例提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，从倾转旋翼机旋翼桨叶的旋翼桨距的最基本气动力公式出发，根据倾转旋翼机的桨叶结构特点对倾转旋翼机的旋翼总距进行推导，模拟倾转旋翼机的飞行模态。具体通过建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，使用该带有叶根桨距的旋翼桨距的方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；在得到拉力系数的方程表达式后使用该方程表达式求解叶根桨距。因为倾转旋翼机的拉力系数与旋翼轴前倾角正相关，而通过拉力系数的方程表达式求解叶根桨距，就建立了叶根桨距与旋翼轴前倾角(该旋翼轴前倾角直接影响旋翼桨叶的负扭转)的计算关系。从而方便使用倾转旋翼机的相关资料验证该叶根桨距的计算是否正确。然后使用叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式计算得到倾转旋翼机的旋翼总距，就能够使用该倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。综上，通过上述方案，从倾转旋翼机的旋翼桨距的最基本气动力方程出发，从直升机气动特点出发并考虑倾转旋翼机桨叶特点，推导出倾转旋翼机旋翼桨距和旋翼总距，其计算结果与实测结果能够较好吻合，解决了现有技术中倾转旋翼机研制中旋翼桨距不会算和算不准的技术问题。

另外，基于上述方法实施例的同一构思，本申请实施例还提供了倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，用于实现本申请的上述方法，由于该系统实施例解决问题的原理与方法相似，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

参见图9，图9为本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统的结构示意图。如图9所示，该旋翼桨距的计算与模拟系统包括：旋翼桨距计算模块110，用于建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，旋翼桨距的方程表达式包括倾转旋翼机的叶根桨距；拉力系数推导模块120，用于使用包括叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；叶根桨距计算模块130，用于使用拉力系数的方程表达式，求解叶根桨距；旋翼总距计算模块140，用于使用求解的叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到倾转旋翼机的旋翼总距；飞行模态模拟模块150，用于使用倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。

综上，本申请实施例提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，从倾转旋翼机旋翼桨叶的旋翼桨距的最基本气动力公式出发，根据倾转旋翼机的桨叶结构特点对倾转旋翼机的旋翼总距进行推导，模拟倾转旋翼机的飞行模态。具体通过建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，使用该带有叶根桨距的旋翼桨距的方程表达式，结合倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；在得到拉力系数的方程表达式后使用该方程表达式求解叶根桨距。因为倾转旋翼机的拉力系数与旋翼轴前倾角正相关，而通过拉力系数的方程表达式求解叶根桨距，就建立了叶根桨距与旋翼轴前倾角(该旋翼轴前倾角直接影响旋翼桨叶的负扭转)的计算关系。从而方便使用倾转旋翼机的相关资料验证该叶根桨距的计算是否正确。然后使用叶根桨距和倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式计算得到倾转旋翼机的旋翼总距，就能够使用该倾转旋翼机的旋翼总距模拟倾转旋翼机的飞行模态。综上，通过上述方案，从倾转旋翼机的旋翼桨距的最基本气动力方程出发，一步一步推导倾转旋翼机的叶根桨距和旋翼总距，以模拟倾转旋翼机的飞行模态，这样本申请技术方案从直升机气动特点出发并考虑倾转旋翼机桨叶特点，推导出倾转旋翼机旋翼桨距和旋翼总距，其计算结果与实测结果能够较好吻合，解决了现有技术中倾转旋翼机研制中旋翼桨距不会算和算不准的技术问题。

另外，参见图12，图12为本申请实施例提供的一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，包括：处理器1001、通信总线1002.、通信模块1003、存储器1004及存储在存储器1004上并在处理器1001上运行的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序，倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序被处理器执行时实现上述任一项实施例提供的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，包括：

建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，所述旋翼桨距的方程表达式包括所述倾转旋翼机的叶根桨距；

使用包括所述叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合所述倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；

使用所述拉力系数的方程表达式，求解所述叶根桨距；

使用求解的所述叶根桨距和所述倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到所述倾转旋翼机的旋翼总距；

使用所述倾转旋翼机的旋翼总距模拟所述倾转旋翼机的飞行模态。

2.根据权利要求1所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式的步骤，包括：

使用所述倾转旋翼机的叶根桨距以及翼剖面与旋翼的相对半径，建立所述旋翼桨距的方程表达式：

其中，代表旋翼桨距，θ₀代表叶根桨距，F1、F2和F3均为方程系数，/>为所述翼剖面与旋翼的相对半径，θ₁为横向周期变距操纵量，θ₂为纵向周期变距操纵量，Ψ为桨叶方位角。

3.根据权利要求1或2所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述使用包括所述叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合所述倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式的步骤，包括：

建立所述倾转旋翼机的翼型来流相对速度的方程表达式：

其中，为所述翼型来流相对速度/>为所述相对半径，μ为旋翼前进比，v_q为飞机俯仰角速率在桨毂中心引起的线速度，v_p为飞机俯滚转角速率在桨毂中心引起的线速度，ψ为桨叶方位角；

建立所述倾转旋翼机的垂直翼型来流相对速度的方程表达式：

其中，为垂直翼型来流相对速度，/>为相对诱导速度，λ₀为流入比，r为翼剖面半径，为桨叶挥舞角速度，β为桨叶挥舞角，p为飞机滚转速率，q为飞机俯仰速率；

分别将所述旋翼桨距的方程表达式、所述翼型来流相对速度的方程表达式以及所述垂直翼型来流相对速度的方程表达式，代入所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式：

其中，C_T为拉力系数，k为桨叶片数，a为翼型升力线斜率，/>为桨叶相对宽度；

对代入后所述拉力系数的方程表达式进行积分。

4.根据权利要求3所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述分别将所述旋翼桨距的方程表达式、所述翼型来流相对速度的方程表达式以及垂直翼型来流相对速度的方程表达式，代入所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式的步骤，包括：

拆分所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式，分别得到：

将所述旋翼桨距方程表达式和所述翼型来流相对速度的方程表达式代入所述C_T1，得到：

对代入后的所述C_T1进行积分运算，得到C_T1的方程表达式：

其中，a为翼型升力线斜率，σ为实度，μ为旋翼前进比，FE0为叶根桨距；

将所述翼型来流相对速度的方程表达式和垂直翼型来流相对速度的方程表达式代入所述C_T2，得到：

对代入后的所述C_T2进行积分运算，得到C_T2的方程表达式：

其中，入为垂直于桨毂旋转平面的气流速度；

将积分运算后的所述C_T1和C_T2进行叠加，得到简化后的所述拉力系数的方程表达式。

5.根据权利要求4所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述使用所述拉力系数的方程表达式，求解所述叶根桨距的步骤，包括：

将积分运算后的所述C_T1和C_T2进行叠加，得到简化后的所述拉力系数的方程表达式：

使用拉力系数与叶根桨距的关系，根据所述拉力系数的方程表达式，推导所述叶根桨距的方程表达式：

其中，ASI为过渡参数，/>

使用所述叶根桨距的方程表达式，求解所述叶根桨距。

6.根据权利要求5所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述使用所述叶根桨距的方程表达式，求解所述叶根桨距的步骤，包括：

获取旋翼前进比和所述垂直于桨毂旋转平面的气流速度值；

将所述旋翼前进比与所述垂直于桨毂旋转平面的气流速度值代入所述叶根桨距的方程表达式，计算得到所述叶根桨距。

7.根据权利要求1所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述使用求解的所述叶根桨距和所述倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到所述倾转旋翼机的旋翼总距的步骤，包括：

对所述旋翼桨距进行微分，求解得到桨叶扭转角；

将求解的所述叶根桨距和所述桨叶扭转角代入所述倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，求解所述倾转旋翼机的旋翼总距。

8.根据权利要求1所述的旋翼桨距的计算与模拟方法，其特征在于，所述使用所述倾转旋翼机的旋翼总距模拟所述倾转旋翼机的飞行模态的步骤，包括：

分别计算所述倾转旋翼机中不同旋翼轴前倾角对应的叶根桨距；

将不同旋翼轴前倾角对应的所述叶根桨距与现有资料对应的叶根桨距进行对比，验证计算的所述叶根桨距值。

9.一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，其特征在于，包括：

旋翼桨距计算模块，用于建立倾转旋翼机的旋翼桨距的方程表达式，其中，所述旋翼桨距的方程表达式包括所述倾转旋翼机的叶根桨距；

拉力系数推导模块，用于使用包括所述叶根桨距的旋翼桨距方程表达式，结合所述倾转旋翼机的翼型来流相对速度以及垂直翼型来流相对速度，建立并推导所述倾转旋翼机的拉力系数的方程表达式；

叶根桨距计算模块，用于使用所述拉力系数的方程表达式，求解所述叶根桨距；

旋翼总距计算模块，用于使用求解的所述叶根桨距和所述倾转旋翼机的旋翼总距的方程表达式，计算得到所述倾转旋翼机的旋翼总距；

飞行模态模拟模块，用于使用所述倾转旋翼机的旋翼总距模拟所述倾转旋翼机的飞行模态。

10.一种倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟系统，其特征在于，包括：

存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序，所述倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的倾转旋翼机的旋翼桨距的计算与模拟方法的步骤。