NASA UH-60A全尺寸风洞试验：从气动载荷到高前进比旋翼特性研究
NASA 旋翼飞行器研究 · 课题 08
安装在 NFAC 大型旋翼试验装置上的 UH-60A 气动载荷旋翼。图源：Norman 等，Full-Scale Wind Tunnel Test of the UH-60A Airloads Rotor，2011，Figure 1。 图片来源：NASA。
01 / 从 1993 年飞行试验，走向全尺寸风洞试验
1993 年开展的 UH-60A 气动载荷旋翼飞行试验，为多种平飞与瞬态机动条件建立了独特且丰富的数据库。试验的关键数据是旋翼气动载荷——剖面法向力、俯仰力矩和 弦向力——由分布在九个径向站位上的弦向压力测点阵列积分获得。
这些数据与结构载荷、操纵位置及旋翼轴力矩等其他测量参数相结合，帮助研究人员深入理解高速飞行、动态失速等特定飞行状态的物理机理，并为验证新兴预测工具提供了关键数据。
为扩大用于验证这些预测工具的数据库，NASA 与美国陆军于 2010 年 5 月完成了 UH-60A 气动载荷旋翼的全尺寸风洞试验，其中包括安装压力测量仪器的桨叶。试验在美国空军国家全尺寸空气动力学综合设施（NFAC）的 40 英尺 × 80 英尺风洞进行，旨在获得飞行试验无法提供的独特数据。
02 / 新测量：从桨叶变形到旋翼尾迹
新增测量包括旋翼天平的力和力矩、桨毂振荡载荷、桨叶位移与变形，以及通过大视场粒子图像测速（PIV）和回归反射背景纹影（RBOS）获得的旋翼尾迹数据。
试验还采集了常规飞行包线之外的数据，包括高速、高拉力和降低旋翼转速的工况。
原网页 Featured Videos
Wind Tunnel Test Program — 风洞试验计划（原网页视频缩略图）。 图片来源：NASA。
视频页面：https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Research/Programs/video/airloads_WTTP.html
Particle Image Velocimetry — 粒子图像测速（原网页视频缩略图）。 图片来源：NASA。
视频页面：https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Research/Programs/video/airloads_PIV.html
Blade Displacement — 桨叶位移（原网页视频缩略图）。 图片来源：NASA。
视频页面：https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Research/Programs/video/airloads_BD.html
03 / 1 g 模拟平飞：如何实现配平？
主要风洞数据来自 1 g 模拟飞行条件下的速度扫描，前进比最高达到 μ＝0.4。每个工况都设置旋翼转速与风洞风速，以匹配目标桨尖马赫数 Mtip 和前进比 μ；旋翼轴倾角先设为预测值。
随后，配平控制器以相应的升力和桨毂力矩为目标，并估算为匹配推进力所需的轴倾角变化量。作为目标值的升力与推进力，已包含风洞壁面效应修正。之后手动调整轴倾角，直至满足全部配平目标。
1 g 平飞速度扫描在三个升力水平下进行：CL/σ＝0.08、0.09 和 0.10。
04 / 三种桨尖马赫数，兼顾载荷限制与高速效应
参数扫描采用三种不同的桨尖马赫数，大部分数据在基准 Mtip＝0.650 下获取。
为在不达到载荷限制的情况下获得更高的无量纲拉力和前进比，研究人员在 Mtip＝0.625 下进行了少量扫描。另在 Mtip＝0.675 下进行了少量扫描，以探索更高的前行桨叶马赫数。
05 / 复现历史工况，研究缩比与风洞影响
试验还在与此前全尺寸飞行试验和小尺寸风洞试验相匹配的条件下采集数据，以评估旋翼及风洞的缩比问题。
对于每个模拟飞行工况，旋翼转速和风洞风速设置为匹配目标 Mtip 与 μ；轴倾角则设置为经过风洞壁面修正后与飞行试验一致。配平控制器随后以相应的旋翼拉力 CT/σ 和固定坐标系桨毂力矩为目标。该力矩由与飞行试验相同的旋翼轴弯曲测量计导出。必要时进一步调整轴倾角，使修正后的轴倾角精确匹配。
共模拟了三个 Airloads 飞行试验点：C8525、C8424 和 C9020。
06 / 降转速至 40% 与 65%，探索 μ＝1.0
最后，试验在旋翼转速降低至 40% 和 65% 的条件下开展了独特的降转速模拟，前进比最高达到 μ＝1.0。测量揭示了这一特殊工作区域内丰富而新颖的航空力学现象，包括：
• 反向弦向来流下的动态失速。
• 后行侧变距拉杆载荷中的脉冲。
• 桨叶内、外段之间较大的弹性扭转差。
• 当前行桨尖马赫数仍处于较低亚声速水平时，出现超声速流动。
• 旋翼合力减小，但桨叶载荷急剧增大。
• 桨叶载荷很大，但桨毂振动载荷仍处于较温和的水平。
这项研究旨在从基础层面理解上述独特的航空力学现象，为未来高速、高效率、低转速旋翼的设计提供有用知识。
07 / 近期成果
联系人
Tom Norman · NASA Ames Research Center
Moffett Field CA 94035-1000
来源
原文：NASA Ames Research Center
https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Research/Programs/uh_60_test_summary.html
