招啟軍教授團隊：提升我國直升機高性能旋翼的自主設計能力

招啟軍，江蘇金湖人，博士，南京航空航天大學航空學院與直升機旋翼動力學國家級重點實驗室教授、博士生導師。「直升機空氣動力學叢書」主編。主要從事直升機空氣動力學、計算流體力學、旋翼氣動噪聲、主動流動控制、高性能旋翼氣動設計及隱身設計等領域的研究工作。主持國防「973」項目課題、國家自然科學基金、航空預研、重點實驗室基金等國家級項目20餘項以及各省部級項目30餘項。在AIAA Journal、Journal of American Helicopter Society、Journal of Aircraft、Aerospace Science and Technology、《航空學報》（中英文版）、《力學學報》、《聲學學報》、《空氣動力學學報》等國內外知名期刊和學術會議上發表論文200餘篇，其中SCI和EI收錄150餘篇，出版專著3部。獲得國防科技進步獎4項，獲江蘇省「青藍工程」中青年學術帶頭人、「333」高層次人才培養計劃等榮譽稱號。

高性能的旋翼是現代直升機的重要標誌，旋翼設計技術成為直升機的核心技術之一，因此在直升機更新換代過程中，旋翼設計是其中極為重要的一環。面對未來直升機大速度、大載重、低噪聲的設計要求，以往一些經典的旋翼氣動外形逐漸力不從心。為此，各國都在開展新型旋翼氣動外形的設計研究，世界上較為先進的直升機均採用了新穎的旋翼槳葉氣動外形，這些非常規槳葉外形有效地提高了旋翼氣動性能和直升機飛行性能。《先進旋翼設計空氣動力學》結合國外旋翼設計理念與作者團隊的高性能旋翼設計經驗積累，詳細闡述了先進旋翼翼型及槳葉氣動外形設計方法，力求為我國直升機型號中旋翼自主設計能力的提升貢獻一份力量。

世界上3種較為先進的直升機及其旋翼槳尖構型

旋翼的流場特徵十分複雜，主要體現在：旋翼複雜的運動特徵與前飛來流的疊加，導致旋翼槳葉工作在嚴重非對稱、非定常的氣流環境中，旋翼流場中可能同時出現尖部跨聲速流動、根部低速/反向流動，並伴隨動態失速、槳/渦幹擾等多種複雜空氣動力學現象。旋翼的非定常氣動特性限制了直升機氣動性能的進一步提高，因此改善旋翼的流動特徵、氣動與噪聲特性等一直是直升機空氣動力學領域的重點和難題，設計先進的直升機旋翼氣動外形對提升直升機的氣動性能、飛行品質並抑制噪聲及振動水平具有重要的理論意義與工程實用價值。

直升機旋翼流場中的特殊氣動現象

針對直升機旋翼特殊的氣動環境與旋翼氣動外形設計的難點，國內外學者展開了系統而深入的研究，提出了很多設計方法與旋翼外形方案，進而推動了直升機旋翼氣動設計技術的發展。其中以徐國華教授和招啟軍教授為代表的學術團隊研究成果斐然，自20 世紀90 年代起，在我國直升機學術泰鬥王適存先生指導下，開發並逐步完善了旋翼計算流體力學(CFD) 軟體，發展了旋翼翼型及槳葉三維氣動外形的優化設計方法，並發表了數十篇高水平論文。先後設計了具有新型槳尖的CLOR 系列先進氣動外形旋翼，涵蓋了傳統直升機、高速共軸直升機、傾轉旋翼機、涵道風扇等多種旋翼飛行器。通過試驗和模擬分析，這些旋翼設計水平已經達到了世界先進水平，得到了國際同行的高度評價。近五年，招啟軍教授團隊創新性地提出了基於動態失速特性的旋翼翼型設計理念，並設計出能夠大幅提升旋翼氣動性能的系列翼型。

除了常規的旋翼氣動外形設計外，招啟軍教授團隊還積極開展主動流動控制技術在旋翼氣動設計中應用的理論與探索性試驗研究。主動流動控制技術具備靈活、實時控制、響應快等優勢，可實現對旋翼的實時控制，在全工作範圍內有針對性地改善旋翼氣動性能，為提升旋翼氣動性能提供了一種新思路。旋翼主動流動控制技術研究的突破將會在改善旋翼流場與提高直升機飛行性能方面做出革命性貢獻。招啟軍教授團隊針對目前最具發展潛力的合成射流、動態前緣、後緣小翼、旋翼變轉速技術以及旋翼變體技術進行了研究，闡述了這些主動流動控制技術在提升旋翼氣動性能方面的應用潛力。

儘管當前已經有諸多旋翼氣動原理與設計理論、優化設計方法等方面的教材和專著出版，但是由於直升機旋翼氣動外形及氣動特性的複雜特徵，全面提升旋翼氣動性能的設計研究十分困難，因此目前國際上尚未出版系統性介紹直升機旋翼氣動外形設計方法的專業書籍，招啟軍教授所著《先進旋翼設計空氣動力學》的出版填補了該領域的空白。該書在系統介紹直升機旋翼及翼型氣動外形設計方法的同時，詳細展現了作者及其團隊的諸多最新研究成果，如基於動態失速特性的旋翼翼型設計方法、新型槳尖設計方法、旋翼主動流動控制技術等，給出了具有自主智慧財產權的直升機旋翼(CLOR系列) 及翼型外形，並通過試驗驗證了所設計旋翼外形的先進性。

該書完整而全面地覆蓋了旋翼氣動外形設計的內容，又涵蓋了國際前沿動態與新技術的應用探索，具有完善的學術體系，內容翔實、論述科學、結構嚴謹。全書將理論方法、國際動態、設計實例以及新技術應用有機結合，文筆流暢、層次分明，具有很高的可讀性和借鑑性。該書對直升機旋翼設計、風力機葉片設計、螺旋槳設計以及涵道尾槳設計等相關研究人員有較大的參考價值。該書的出版將有效地推動我國直升機空氣動力學和旋翼設計技術的發展與應用，也將為世界直升機旋翼設計空氣動力學的發展和應用做出重要貢獻！因此，我向廣大讀者推薦此書。

2019 年11 月

作者研究團隊通過20多年在直升機旋翼空氣動力學與高性能旋翼設計研究方面的不懈努力，形成了具有自主智慧財產權的旋翼翼型(適合動態環境) 與槳葉非常規氣動外形系列(CLOR 系列)，多年的旋翼氣動設計方法與設計流程的研究促成了《先進旋翼設計空氣動力學》的出版，是「直升機空氣動力學叢書」的重要組成。

本書圍繞直升機旋翼氣動設計的特殊性，在作者團隊已建立的經典氣動理論方法與計算流體力學(CFD) 方法的基礎上，結合試驗驗證，在旋翼空氣動力學特性、旋翼氣動設計方法、旋翼氣動外形設計實例方面逐級開展了研究與分析。對旋翼氣動性能影響較大的槳尖氣動外形著重進行了闡述，介紹了國內外在新槳尖構型研究方面的新進展。最後，前瞻性地分析了主動流動控制技術在直升機旋翼設計中的應用潛力。

本書的架構與邏輯關係

在旋翼氣動特性分析、氣動外形設計及主動流動控制方面，本書引入了一些創新性的分析與設計方法，形成了一套具有自主智慧財產權的旋翼系列，並嘗試開展了旋翼主動流動控制試驗研究，本書脈絡及特色體現在以下方面。

▎▎目前針對旋翼翼型動態失速特性的研究多局限於定常來流狀態、迎角做周期性振蕩的情形，然而槳葉旋轉一周所面臨的是十分複雜的時變來流，因此翼型動態失速特性的分析結果往往與旋翼翼型實際流場環境下的有很大差異(第2 章)。基於此，作者將非定常氣流特徵引入翼型動態失速的CFD分析中，著重研究了來流速度的非定常變化對翼型動態失速特性及動態失速渦運動特徵的影響。分析結果表明，來流的時變特徵會導致翼型動態失速加劇，這一新結論有助於更有針對性地開展旋翼翼型設計。

前飛狀態下直升機旋翼槳盤相對來流馬赫數分布示意圖

▎▎在旋翼翼型氣動外形設計方面，常規方法是給定幾個典型狀態(方位角一般為90°與270°) 翼型氣動性能的目標值，在靜態條件下開展單目標或有限多目標的外形設計。雖然該方法可以在某些狀態下滿足旋翼氣動性能需求，但由於旋翼氣流環境的複雜性，嚴重非定常的來流和變距規律使槳葉旋轉一周無法滿足全域內的槳葉剖面翼型氣動特性需求。因此，本書將一個周期內旋翼氣動特性參數(升力係數、阻力係數及力矩係數等) 融合，提出了基於非定常氣動特性的翼型氣動外形設計方法。通過旋翼翼型的優化結果及其在旋翼上的應用可知，動態設計方法可以很大程度上延緩甚至抑制旋翼翼型動態失速現象(第3 章)。

動態優化設計旋翼翼型抑制渦形成示意圖

▎▎槳尖外形對旋翼氣動性能有至關重要的影響，但目前國內外的研究工作多為定性地分析槳尖外形對旋翼氣動特性的影響。作者通過理論分析，推導了槳尖剖面法向來流速度與後掠角的關係式，定量分析了後掠角對旋翼氣動特性的影響規律，並給出了相應的後掠槳尖設計準則。在此基礎上，自主設計了高性能、低噪聲的新型槳尖旋翼，同時針對新構型的共軸剛性旋翼與傾轉旋翼進行了氣動外形設計，初步形成了包含常規旋翼、共軸剛性旋翼及傾轉旋翼的CLOR 槳葉系列(第4 章與第5 章)。

不同旋翼的槳尖渦對比

▎▎雖然通過旋翼氣動外形設計方法可以在特定狀態下有效地提升旋翼的氣動性能，但直升機在不同飛行狀態下的最優性能對旋翼設計的要求可能存在矛盾，旋翼設計在很大程度上是一個折中的過程，因此通過外形設計無法保證在全飛行狀態都有優異的氣動性能。主動流動控制技術具有使用靈活的特點，可以在需要時通過改變槳葉外形和槳葉運動規律及向流場輸入能量等方式實時控制旋翼氣動性能，在提升旋翼氣動性能方面具有很大的應用潛力。本書前瞻性地闡述了基於合成射流、動態下垂前緣、後緣小翼及自適應旋翼等技術的新型主動流動控制技術在旋翼非定常氣動特性與動態失速控制方面的作用機理與規律，開展了動態下垂前緣控制規律的優化設計，並開展了旋翼非定常氣動特性合成射流控制的原理試驗(第6 章與第7 章)。

這些分析手段、設計方法與主動流動控制試驗的開展可以為未來旋翼氣動設計方法和新控制手段的發展提供技術參考。

本文摘編自《先進旋翼設計空氣動力學》（招啟軍等著. 北京：科學出版社, 2020.7）一書「第1 章緒論」「序」，有刪減修改，標題為編者所加。

（直升機空氣動力學叢書）

ISBN 978-7-03-063985-1

責任編輯: 惠 雪 喬麗維

本書提出了旋翼氣動性能的多層次設計思想、旋翼及翼型先進氣動設計理論與方法。主要包括：研究了旋翼翼型靜態和非定常動態氣動特性，揭示了動態失速機理、後掠槳尖旋翼流動機理和旋翼氣動外形參數對其氣動及噪聲特性的影響規律，闡述了旋翼及翼型氣動外形的參數化與先進設計方法，提出了基於動態失速特性的旋翼翼型優化設計新思路和後掠槳尖設計新原理；介紹了國外具有代表性的先進旋翼氣動設計原理，給出了融合高精度CFD 分析方法與先進設計方法的CLOR 系列旋翼設計歷程，並推廣至新構型直升機旋翼氣動設計；探索並分析了合成射流、動態下垂前緣、後緣小翼、變轉速旋翼、變直徑旋翼、變扭轉旋翼以及變翼型旋翼等主動控制技術在旋翼氣動性能改善與未來設計方面的應用潛力。

本書可供直升機設計、涵道風扇設計、風力機設計、螺旋槳設計等專業的本科生、研究生及科研人員參考學習。

進入「飛行器」專題

（本文編輯：劉四旦）

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