共轴高速直升机旋翼前飞性能提升30，一种桨叶优化设计方案

　　作者：丁尹
　　Ref：WANGB，YUANX，ZHAOQ，等，2020。GeometryDesignofCoaxialRigidRotorinHighSpeedForwardFlight〔JOL〕。InternationalJournalofAerospaceEngineering，2020：e6650375〔20201212〕。https：www。hindawi。comjournalsijae20206650375。DOI：https：doi。org10。115520206650375。
　　不负责任的声明：本文同样是一篇偏学术派的硬核论文导读，如因强行阅读本文诱发头晕目眩、昏昏欲睡等症状，丁某概不负责，另外，关于引文原作者我就不多介绍了，专业方向涉及直升机气动的不可能不认识这几位大佬了概要：后掠桨尖和非线性弦长分布
　　引文作者团队基于（自主研发的）CLORNS软件搭建了一套可用于共轴刚性旋翼分析的CFD求解器，然后对共轴高速直升机的旋翼进行了气动性能分析以及桨叶几何外形的设计。
　　该研究首先对共轴刚性旋翼的前飞流场进行了分析，捕捉到了前行桨叶侧的激波诱导的流动分离和后行侧的大面积反流区。完成了流场分析之后，该研究探究了不同的桨叶几何外形参数对共轴刚性旋翼前飞性能的影响。
　　旋翼桨盘气动载荷分布示意图
　　研究结果显示，后掠桨尖（SweptbackTip）的设计能够降低前行侧的压缩性阻力，而椭圆形的桨叶平面形状则能够优化高前进比飞行状态的桨叶气动载荷分布。
　　因此，此项研究针对的就是一种后掠桨尖和非线性弦长分布的桨叶平面形状的组合，通过改变其几何参数来获得优化的（给定高速飞行状态下的）前飞性能。经过优化设计之后的旋翼在设计状态下其前飞升阻比提升了30。
　　这段话听起来可能有那么一点拗口，可以用下图来说明：
　　该文共轴刚性旋翼桨叶外形优化设计研究的总体脉络
　　注：在我所有的文中，共轴刚性旋翼（RigidCoaxialRotor）统一用RCR简写，共轴复合式直升机（CoaxialCompoundHelicopter）则简称为CCH，望知悉。脉络：以及闲聊几句
　　全文的脉络基本就如上图所述了，对于原文感兴趣的读者朋友可以按照在本文开头给出的引文链接去翻阅原文，我这里只针对我感兴趣的几个点闲聊几句，多的就不说了
　　首先来聊聊论文背景，RCR的桨叶优化设计当然是有人做过的，但事实上确实是还不多，毕竟如果美国陆军不搞未来垂直升力计划，RCR旋翼技术还只是西科斯基公司的传家宝，暂未能引起那么大的关注。
　　而本文着力于发展一种在高速高前进比飞行状态下还能以较高置信度捕捉RCR旋翼流场和估算其气动性能的CFD方法，这是相当优秀的。毕竟（BOWENDAVIES等，2016）还宣称即便是CFD方法也不能准确捕捉旋翼高前进比状态下反流区的气动特点，顶多捕捉到定性的趋势而已。
　　至于方法论，对于CFD方法我的认识还是比较粗浅，具体细节就没法解释了，直接下一题
　　上图公式里面有个小笔误，读者朋友们发现了吗（提示，在行内公式）
　　在配平方面，该研究采用的是纯旋翼配平，配的是给定拉力，然后扭矩平衡，指定升力偏置（LOS），上下旋翼单独的俯仰力矩，以及总的滚转力矩，这里我有几个问题还要思考下：上下旋翼的俯仰力矩单独出来配平是否仅仅只是为了对应输入操纵量的个数？RCR高速直升机在高速高前进比飞行状态下，其主旋翼其实有很多种工作状态的可能性比如桨盘前倾产生前进推力、桨盘后倒进入半自转状态，引文探究的升阻比是否对应前者而言比较合理，对应后者来说就未必恰当了呢？该研究的配平升力偏置定在了0。35，对应的飞行速度在210节，我认为这个速度对应这个升力偏置量理论上是说得通的，但是如果数值更小的话，似乎更容易规避后行桨叶反流区的失速问题（WayneJohnson，2013），我在想，是不是更小的升力偏置在此处不容易配平？或者存在其他考量因素，这方面我后续会进行计算，因为我自己也涉及到这方面的工作，如果有新的结论，我会对本文进行更新。
　　桨叶平面几何形状被设计为样条曲线，这样可以减少设计参数，提高优化速度
　　该研究的优化方法是代理模型和遗传算法的组合。这在逻辑上很说得通，毕竟CFD方法本身对计算资源的消耗就是非常大的，而优化设计肯定要涉及到大量的迭代循环，这时候如果直接把CFD方法丢进去（比如放进遗传算法的循环里面）那么代代相传跑下来，真真是岁月催人老呐
　　遗传算法的优化设计进化史
　　因此，建立一个良好的代理模型，使其既能够继承CFD方法的置信度，同时又能够大大提高计算效率，使得整体的计算效率进入到可接受的范畴，还是很有必要的。结论：方法置信度满意、计算效率可接受、优化结果很出色
　　该研究基于成熟的CLORNS软件开发了一种可用于RCR气动分析的CFD求解器，然后通过这个求解器进行了高速高前进比状态下RCR的前飞流场的模拟和性能的计算。
　　优化设计结果方案
　　在此基础上，针对RCR桨叶的两个特征几何外形设计参数非线性弦长分布和后掠桨尖设计在旋翼性能方面的影响进行了研究，并依此进行了旋翼桨叶的优化设计工作。
　　在优化迭代过程中，采用了代理模型方法和遗传算法，尝试在计算精度和计算效率之间寻求平衡点。最终优化设计结果的性能分析数据表明优化设计方案在前飞性能提升方面在卓有成效，综合而言，该研究所得出的结论主要有下述几点：基于CLORNS的RCR旋翼CFD求解器在气动性能估算方面的置信度很不错。在高前进比状态下，前行侧桨尖受到强气动压缩性影响，而后行侧桨根部位则处于严重的反流状态，上述两点都对旋翼气动效率有着负面影响；后掠桨尖的设计可以降低气动压缩性的影响，从而提升前行侧桨尖区域的气动性能。而与常规的矩形桨叶平面形状相比，椭圆弦长分布的桨叶平面形状其桨根和桨尖处的弦长数值都更小，这就降低了后行侧桨根反流区和前行侧桨尖高亚音速区域的阻力值。在桨根中部则有着较大的弦长分布，该布局有效改善了桨叶的载荷分布情况。相比于纯遗传算法，代理模型和遗传算法的组合降低了优化迭代过程的计算资源消耗；相比于纯代理模型，这种组合其置信度又更高。相比于矩形桨叶，优化得出的桨叶几何外形在前飞性能计算结果上有些显著的提升。此外，优化的桨叶几何外形还降低了噪音水平；
　　噪音分析优化的桨叶外形设计结果是针对该研究所指定的高速飞行状态来说的，也就是说，在该研究中并没有加入悬停性能的优化目标这主要是考虑到发动机的输出功率理论上总是能够满足悬停消耗的。不过话说回来，在悬停和低速低前进比的飞行状态下，双旋翼之间的气动干扰情况是远比高速高前进比状态要来得复杂的。因此后续的RCR旋翼优化设计工作还是有必要考虑悬停和低速性能的。
　　总而言之，该研究的主要目标是探究RCR旋翼桨叶的几何参数对高速前飞性能的影响。引文作者指出在后续的研究工作中，二维翼型的优化设计工作将会和三维桨叶几何外形的设计工作耦合到一起来进行，从而获得性能更优的RCR旋翼。所以，在后续的研究工作中，桨叶的翼型布置和扭转分布都会被纳入到RCR旋翼的桨叶几何外形优化设计中去。
　　期待后续研究。