共軸高速直升機旋翼前飛性能提升30％，一種槳葉優化設計方案
作者：丁尹
Ref:WANG B, YUAN X, ZHAO Q, 等, 2020. Geometry Design of Coaxial Rigid Rotor in High-Speed Forward Flight[J/OL]. International Journal of Aerospace Engineering, 2020: e6650375[2020–12–12]. https://www.hindawi.com/journals/ijae/2020/6650375/. DOI:https://doi.org/10.1155/2020/6650375.
不負責任的聲明：本文同樣是一片偏學術派的硬核論文導讀，如因強行閱讀本文誘發頭暈目眩、昏昏欲睡等癥狀，丁某概不負責，另外，關於引文原作者我就不多介紹了，專業方向涉及直升機氣動的不可能不認識這幾位大佬了
概要：後掠槳尖和非線性弦長分布
引文作者團隊基於（自主研發的）CLORNS軟體搭建了一套可用於共軸剛性旋翼分析的CFD求解器，然後對共軸高速直升機的旋翼進行了氣動性能分析以及槳葉幾何外形的設計。
該研究首先對共軸剛性旋翼的前飛流場進行了分析，捕捉到了前行槳葉側的激波誘導的流動分離和後行側的大面積反流區。完成了流場分析之後，該研究探究了不同的槳葉幾何外形參數對共軸剛性旋翼前飛性能的影響。
▲旋翼槳盤氣動載荷分布示意圖
研究結果顯示，後掠槳尖（Swept-back Tip）的設計能夠降低前行側的壓縮性阻力，而橢圓形的槳葉平面形狀則能夠優化高前進比飛行狀態的槳葉氣動載荷分布。
因此，此項研究針對的就是一種後掠槳尖和非線性弦長分布的槳葉平面形狀的組合，通過改變其幾何參數來獲得優化的（給定高速飛行狀態下的）前飛性能。經過優化設計之後的旋翼在設計狀態下其前飛升阻比提升了30%。
這段話聽起來可能有那麼一點拗口，可以用下圖來說明：
▲該文共軸剛性旋翼槳葉外形優化設計研究的總體脈絡
註：在我所有的文中，共軸剛性旋翼（Rigid Coaxial Rotor）統一用RCR簡寫，共軸複合式直升機（Coaxial Compound Helicopter）則簡稱為CCH，望知悉。
脈絡：以及閑聊幾句
全文的脈絡基本就如上圖所述了，對於原文感興趣的讀者朋友可以按照在本文開頭給出的引文鏈接去翻閱原文，我這裡只針對我感興趣的幾個點閑聊幾句，多的就不說了
首先來聊聊論文背景，RCR的槳葉優化設計當然是有人做過的，但事實上確實是還不多，畢竟如果美國陸軍不搞「未來垂直升力」計劃，RCR旋翼技術還只是西科斯基公司的傳家寶，暫未能引起那麼大的關注。
而本文著力於發展一種在高速高前進比飛行狀態下還能以較高置信度捕捉RCR旋翼流場和估算其氣動性能的CFD方法，這是相當優秀的。畢竟(BOWEN-DAVIES等, 2016)還宣稱即便是CFD方法也不能準確捕捉旋翼高前進比狀態下反流區的氣動特點，頂多捕捉到定性的趨勢而已。
至於方法論，對於CFD方法我的認識還是比較粗淺，具體細節就沒法解釋了，直接下一題
▲上圖公式裡面有個小筆誤，讀者朋友們發現了嗎（提示，在行內公式）
在配平方面，該研究採用的是純旋翼配平，配的是給定拉力，然後扭矩平衡，指定升力偏置（LOS），上下旋翼單獨的俯仰力矩，以及總的滾轉力矩，這裡我有幾個問題還要思考下：
上下旋翼的俯仰力矩單獨出來配平是否僅僅只是為了對應輸入操縱量的個數？
RCR高速直升機在高速高前進比飛行狀態下，其主旋翼其實有很多種工作狀態的可能性——比如槳盤前傾產生前進推力、槳盤後倒進入半自轉狀態，引文探究的升阻比是否對應前者而言比較合理，對應後者來說就未必恰當了呢？
該研究的配平升力偏置定在了0.35，對應的飛行速度在210節，我認為這個速度對應這個升力偏置量理論上是說得通的，但是如果數值更小的話，似乎更容易規避後行槳葉反流區的失速問題（Wayne Johnson, 2013），我在想，是不是更小的升力偏置在此處不容易配平？或者存在其他考量因素，這方面我後續會進行計算，因為我自己也涉及到這方面的工作，如果有新的結論，我會對本文進行更新。
▲槳葉平面幾何形狀被設計為樣條曲線，這樣可以減少設計參數，提高優化速度
該研究的優化方法是代理模型和遺傳演算法的組合。這在邏輯上很說得通，畢竟CFD方法本身對計算資源的消耗就是非常大的，而優化設計肯定要涉及到大量的迭代循環，這時候如果直接把CFD方法丟進去（比如放進遺傳演算法的循環裡面）那麼代代相傳跑下來，真真是歲月催人老吶
▲遺傳演算法的優化設計「進化史」
因此，建立一個良好的代理模型，使其既能夠繼承CFD方法的置信度，同時又能夠大大提高計算效率，使得整體的計算效率進入到可接受的範疇，還是很有必要的。
結論：方法置信度滿意、計算效率可接受、優化結果很出色
該研究基於成熟的CLORNS軟體開發了一種可用於RCR氣動分析的CFD求解器，然後通過這個求解器進行了高速高前進比狀態下RCR的前飛流場的模擬和性能的計算。
▲優化設計結果方案
在此基礎上，針對RCR槳葉的兩個特徵幾何外形設計參數——非線性弦長分布和後掠槳尖設計——在旋翼性能方面的影響進行了研究，並依此進行了旋翼槳葉的優化設計工作。
在優化迭代過程中，採用了代理模型方法和遺傳演算法，嘗試在計算精度和計算效率之間尋求平衡點。最終優化設計結果的性能分析數據表明優化設計方案在前飛性能提升方面在卓有成效，綜合而言，該研究所得出的結論主要有下述幾點：
基於CLORNS的RCR旋翼CFD求解器在氣動性能估算方面的置信度很不錯。在高前進比狀態下，前行側槳尖受到強氣動壓縮性影響，而後行側槳根部位則處於嚴重的反流狀態，上述兩點都對旋翼氣動效率有著負面影響；
後掠槳尖的設計可以降低氣動壓縮性的影響，從而提升前行側槳尖區域的氣動性能。而與常規的矩形槳葉平面形狀相比，橢圓弦長分布的槳葉平面形狀其槳根和槳尖處的弦長數值都更小，這就降低了後行側槳根反流區和前行側槳尖高亞音速區域的阻力值。在槳根中部則有著較大的弦長分布，該布局有效改善了槳葉的載荷分布情況。
相比於純遺傳演算法，代理模型和遺傳演算法的組合降低了優化迭代過程的計算資源消耗；相比於純代理模型，這種組合其置信度又更高。相比於矩形槳葉，優化得出的槳葉幾何外形在前飛性能計算結果上有些顯著的提升。此外，優化的槳葉幾何外形還降低了噪音水平；
▲噪音分析
4. 優化的槳葉外形設計結果是針對該研究所指定的高速飛行狀態來說的，也就是說，在該研究中並沒有加入懸停性能的優化目標——這主要是考慮到發動機的輸出功率理論上總是能夠滿足懸停消耗的。不過話說回來，在懸停和低速低前進比的飛行狀態下，雙旋翼之間的氣動干擾情況是遠比高速高前進比狀態要來的複雜的。因此後續的RCR旋翼優化設計工作還是有必要考慮懸停和低速性能的。
總而言之，該研究的主要目標是探究RCR旋翼槳葉的幾何參數對高速前飛性能的影響。引文作者指出在後續的研究工作中，二維翼型的優化設計工作將會和三維槳葉幾何外形的設計工作耦合到一起來進行，從而獲得性能更優的RCR旋翼。所以，在後續的研究工作中，槳葉的翼型布置和扭轉分布都會被納入到RCR旋翼的槳葉幾何外形優化設計中去。
期待後續研究。
