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司古的博客

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照着鲸鱼造直升机   

2013-05-08 11:42:59|  分类: 航空知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      照着鲸鱼造直升机 - 司古 - 司古的博客
       如果研究飞机遇到困难,那么去看海洋生物吧,也许有用。

旋翼是直升机赖以垂直起降的独门秘技,但它也带来一些不利的气动问题。高速前飞时,主旋翼后行桨叶由于与飞行速度反向,会造成桨叶局部失速。机动飞行时桨叶也可能局部失速。这种失速会在桨叶上形成紊流,升力迅速损失的同时阻力急剧增加,旋翼桨毂的控制机构也会承受很大的过载,同时产生的还有恼人的震动。“这种强烈扰动,就像有人用大铁锤用力敲打旋翼。”德国航空研究中心(DLR)空气动力与流体技术研究室专家安东尼·加德纳这样形容。旋翼失速的间接后果是,直升机的最大飞行速度和机动能力受到限制,它们没法飞得更快更灵活。直升机技术界公认,旋翼失速是直升机气动力学中最严重也是最复杂的的问题,用计算机模拟转动的旋翼流场,其难度要比固定翼飞机流场建模复杂得多。

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座头鲸胸鳍前缘的突起给了DLR研究人员最初的灵感

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研究人员正在调整风洞中的前缘吹气验证试验段

近来,对座头鲸开展的仿生学研究给了DLR研究人员不少灵感。如今他们正利用从鲸鱼身上学到的东西改进直升机旋翼。座头鲸在水中既能高速行进,又能做出各种复杂的“机动动作”,它们那硕大胸鳍前缘分布的特殊凸起引起了研究人员的注意。研究表明,这些凸起并不简单,它们能显著推迟水动力失速的发生并能增加水动力升力。起先研究人员把这些奇妙的凸起直接搬到直升机上,在BO 105试验直升机旋翼每片桨叶上粘贴了186个直径6毫米的橡胶突起物,风洞试验和实际飞行测试都收到了良好效果。现在,DLR正从“座头鲸”灵感出发,试图开发一项更为高效的前缘吹气式主动干预技术。研究人员在旋翼前缘部分开设一些小孔,在失速发生时将高压气体通过这些小孔排出,以减少旋翼周围的有害紊流。这能显著降低作用在旋翼桨叶上的俯仰力矩——正是这种力矩显著了旋翼乃至直升机的飞行性能。“在作高难度机动动作时,飞行员可以短时间选择使用此功能。此时气动作用力就不会再像大铁锤那样敲击旋翼,而是变成了轻柔的橡胶锤。”加德纳解释说。

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计算机模拟的前缘吹气流场示意图

说起来容易,具体试验却相当复杂。在哥廷根的巨大跨音速风洞内,研究人员安装了一段1米长的旋翼试验段,在试验段前缘设置了42个直径3毫米的小孔,由此向外喷出压缩空气。同时,试验段周围设置了74个传感器来监测流场压力情况,数据采集速度高达每秒6000次,正是因为有了精确的数据采集系统和强大的计算机模拟能力,研究人员才能精确地描述这些小孔对于流场的影响效果。DLR技术人员承认,对旋翼采用吹气方式施加主动气动影响的主意并不新鲜,早在上世纪40年代,哥廷根的研究人员就对此作过研究。但过去这些研究一直效果不佳,直到近些年超级计算机和先进数据采集技术的应用,才让这些理论有了验证的可能。

下一步,DLR将在风洞中对运动旋翼进行前缘吹气技术测试,如果顺利,这项研究有望帮助人类突破制约直升机性能多年的“魔鬼瓶颈”。如果未来我们真的在新型直升机旋翼上看到这些小孔,那么别忘了感谢蔚蓝海洋中的那些庞然大物。

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