S97发动机排气影响螺旋桨性能？西科斯基高速直升机的细节追求

　　弁言——细节决定成败
　　在上世纪六十年代末西科斯基公司开始考虑＂前行桨叶概念旋翼＂（ABC　Rotor；Advanced Blade Concept Rotor）飞行器的时候，他们对于这种新构型的复合式直升机的关注焦点主要还是在＂共轴刚性双旋翼系统＂上，对于辅助推进装置，他们的想法很简单：够用就行。
　　图 1 XH-59A的出现见证了一种新构型高速直升机的诞生
　　于是在XH-59A——也就是西科斯基公司所打造的第一种共轴刚性旋翼复合式直升机——的打造过程中，研制团队测试了多种复合推进装置，其中不仅包括尾部推进螺旋桨，还包括挂载在机身两侧的喷气发动机。
　　在强调辅助推进装置推力的情况下，研制团队甚至对这些＂额外＂辅助部件的重量性能估算不足，导致XH-59A在加装辅助推进装置之后，一度面临超载（总重超过最大起飞重量）而导致无法垂直起飞，必须通过短距滑跑才能起飞的问题。
　　当然，这都是早期的略显＂粗放＂的设计和＂试错型＂制造过程中的小插曲，随着西科斯基公司将＂共轴刚性旋翼＂技术推进到X2时代，共轴刚性主旋翼+尾部推进螺旋桨的总体布局开始成为该系列复合式直升机的标配之后，故事的发展脉络就开始变得更加清晰了。
　　图 2 S-97的高速飞行能力和许多机动动作都是需要尾部螺旋桨来实现的
　　尾部推进螺旋桨的优化设计工作显然已经成为该构型直升机的一项重点工作。
　　要进行优化设计，首先要进行的就是分析计算，对于常规空气螺旋桨来说，由于其不存在挥舞/摆振运动（或者说幅度相当小可以忽略不计），也不存在这些运动和桨叶变距运动之间的耦合关系，所以其分析工作本质上来说是要比旋翼系统来得简单一些。
　　但是这个问题在S-97直升机上却又变得不一样了，因为S-97复合式直升机的推进螺旋桨是位于该机的尾部的，换言之，在前飞过程中，螺旋桨系统将会受到主旋翼系统和机身等系统所产生的尾迹涡流的影响，从而使其气动特性分析的复杂程度显著提升。
　　图 3　实验测试中的S-97
　　等等，似乎还漏了什么，没错，正如标题里所说的：＂发动机排气＂也会对尾部螺旋桨的气动特性带来一些改变。尽管我们在平时的研究过程中对于这个问题的关注并不多，但是其影响确实实实在在的。
　　在＂美国陆航装备现代化＂大背景下，西科斯基、贝尔、波音等直升机巨头在高速性旋翼飞行器的竞赛已经进入了白热化阶段，可以说，如果不同的方案都能够满足需求指标，并且其性能相差不是那么显著的话，细节将会决定最终的成败。我认为这也是西科斯基公司从小处着手，考虑这么多设计细节的重要原因。
　　针对＂发动机排气对尾部螺旋桨的气动影响＂的研究，正是西科斯基公司挖掘细节的，也是本文的主要介绍内容，下面，请看正文。
　　图 4 正文主体内容的大致脉络 什么是＂发动机排气＂对尾推螺旋桨的影响？
　　所谓＂发动机排气＂对尾推螺旋桨的影响，其实从本质上来说就是一个发动机排出气体与尾部推进螺旋桨之间的＂气动干扰＂问题，虽然听起来很清晰，但是这个问题却比想象中要来的复杂一些。
　　图 5 CH-53K直升机发动机排气设计缺陷曾成为该机的一个关键性能问题
　　首先，发动机的排气并不是直接影响到尾部推进螺旋桨的，它还会受到主旋翼的尾迹流场的气动干扰影响，同时，飞行器机身上表面的几何外形也会改变发动机排气的向后运动和演变情况，从而都会对最终的结果带来影响。
　　其次，在尾部推进螺旋桨前侧，还存在水平尾翼和垂直尾翼，它们还有各自的操纵面（分别是升降舵和方向舵）这些部件的几何特征及其舵面偏转的角度，实际上也会影响到尾推螺旋桨的气动环境，从而影响其气动特性。
　　总的来说，如果想要对这种新构型复合式直升机进行＂发动机排气对尾推螺旋桨气动干扰＂的研究工作，很多细节的考虑是必不可少的。 为什么要研究＂发动机排气＂对尾推螺旋桨的影响？
　　新构型新设计势必会带来很多新的问题，对于常规直升机而言，其尾部是一个朝向侧方的尾桨（也有一些会有朝向斜上方的侧倾角，比如说黑鹰直升机），对于尾桨来说，发动机的排气对其的影响并不是那么显著。
　　而对于S-97这样的构型的复合式直升机来说，其发动机排气与尾部螺旋桨之间的关系可以说是＂正当其冲＂，当大量的发动机废气从排气口涌出之后，不得不考虑这些气体对于位于其后方的气动部件的影响，这些影响包括两个方面，一个是气动性能，另一个就是噪音。
　　图 6 S-97一些独特的飞行机动动作都需要尾部螺旋桨的参与
　　对于S-97直升机来说，其尾部推进螺旋桨的主要功能涉及到两个方面，一个主要方面就是高速飞行的时候提供全机的主要推进力，从而实现高速飞行；另一个辅助方面就是改善全机的机动飞行能力，提供任意俯仰姿态的悬停、空中急停（此时螺旋桨就是空气刹车）、姿态保持状态下的倒飞等等。
　　从这段描述我们可以看出，在S-97的方案设计中，尾部推进螺旋桨其实是该机最重要的关键气动部件之一，为了提高这一关键气动部件的气动性能，势必要对影响其气动性能的因素进行分析。
　　在噪音方面，这个现象的影响其实是相对弱一些，主要对应的是城市复杂环境中的突击渗透和＂巷战＂情况下对于匿踪性能的要求，不过西科斯基公司的在S-97性能报告中曾经提出——在低速飞行的城市作战中，该机的尾部螺旋桨甚至可以直接停车，从而全面降低全机的噪音水平，在这种情况下，发动机排气对尾部螺旋桨的影响几乎可以忽略不计了，所以目前针对这方面降噪的研究工作还是相对很少的。 西科斯基是如何展开相应的研究工作的？
　　总的来说，西科斯基公司主要还是采用＂计算流体力学＂（CFD）方法进行的相关实验，相应方法是基于成熟软件建立的计算框架，其置信度是通过缩比模型的风洞数据和试飞数据来进行验证的。我之前是准备详细介绍一些西科斯基公司用来研究S-97气动特性的CFD方法和研究内容，抟了一些文字，但是由于最近事务较多而不能完稿，暂且用这篇开个头，会面慢慢补齐吧。
　　西科斯基公司在针对这一现象的CFD研究工作中，其主要工作是聚焦在对尾部螺旋桨及其周边部件的几何特征细节的复现方面。研究人员仔细绘制了发动机排气系统、水平尾翼和垂直尾翼等部件的操纵面的加入。
　　图 7 S-97发动机排气对尾部部件气动干扰影响示意图
　　为了将涡轴发动机的输出边界条件应用到排气面的出口处，研究人员增加了朝上的排气系统的排气道和排气道叶栅片的几何形状。叶栅片的加入，对于准确模拟发动机排气口的流动分布及其对飞行器和螺旋桨载荷的影响是至关重要的。至于方向舵和升降舵的几何形状（主要涉及偏转角）则是根据每种配平状态下的实际试飞数据来确定的。这些操纵面的几何形状是可以旋转的，其网格也是根据不同的配平状态各自独立生成的。
　　图 8 机身/主旋翼/螺旋桨气动干扰分析（不含发动机排气）
　　上面这张图展示的是包含有主旋翼/机身/螺旋桨气动干扰的流场模拟图。下面图 4展示的就是包含有发动机排气的对尾部螺旋桨气动干扰影响的流场模拟图。这张图片清晰展示了发动机排气与螺旋桨桨叶进行相互作用的细节。
　　图 9 发动机排气与螺旋桨之间的气动干扰示意图
　　图 5展示的是飞行器纵向中心界面的速度流场模拟图，该图对比了是否存在发动机排气影响向下的螺旋桨尾流情况。上面的图是没有主旋翼的，但是有桨毂，下面这张图就有主旋翼和发动机排气了。从图中可以看到最直观的对比就是主旋翼的下洗流显著改变了桨毂尾流的演变。使得桨毂尾流与发动机排气一道对尾部螺旋桨带来了更显著的气动干扰。
　　图 10 有无主旋翼+发动机排气状况下尾部螺旋桨的速度场对比图（上为无，下为有，空速130节，1节≈1.852公里/时，下同）
　　下面这张图左侧同样是没有主旋翼和发动机排气的，而右边则有，图中展示的是阻力分布情况，其计算规则就是计算阻力方向的表面压强分布。对比来看，可以发现平尾表面受力情况差异较大，其迎角显然也有着显著的变化。
　　图 11 有无主旋翼+发动机排气状态下机体表面阻力分布对比图（左为无，右为有）
　　图 12 模型对应缩略语说明表——AV指的是S-97机身，DP指的是＂离散螺旋桨桨叶＂模型，Exh指的是发动机排气，VBM-MR指的是采用＂虚拟桨叶模型＂的主旋翼
　　下面这张图展示了不同的部件组合对于螺旋桨时间平均效率的影响。图中展示了三种不同的模型，其对应的缩略语可以参考上面的图 7。从下图可以看出，增加了发动机排气之后，尾部螺旋桨的效率提升了一点，这是因为发动机排气的加入使得螺旋桨入流减小导致的。而主旋翼的加入对于发动机效率的提升更大，这就是因为上文所提到的桨毂尾流在旋翼下洗流作用下与发动机排气一起作用到螺旋桨轴流内，从而进一步降低了其入流占比。
　　图 13 相对螺旋桨效率对比图
　　下面的图 9和图 10展示的是飞行器各个部件的升阻力示意图。对飞行器各个部件阻力和升力方面影响最大的显然就是主旋翼的下洗流作用。总的来说，飞行器的阻力增量是要大于发动机的升力增量的。此外，从图中还可以看出，所受到的相对影响最大的要算是平尾的升力了，其升力由于受到主旋翼下洗流的作用，甚至改变了方向，而这个结论对于飞行器本身和主旋翼的配平计算都有着根本性的影响。
　　图 14 飞行器各部件阻力示意图
　　图 15 飞行器各部件升力示意图 一点简单的总结
　　图 16 总结的本质是对自己的激励
　　总结其实都是些老生常谈的东西，写下来主要也是对自己的一些激励吧。
　　总的来说，对于好的东西、优秀的东西、先进的东西，无非就是拿来主义，学以致用，＂见贤思齐焉＂。
　　首先是学，要学的是先进的技术方法和形成这种技术方法的内在逻辑。其实在西科斯基对于S-97的数值气动分析研究中，他们并没有采用自写代码这种方式来进行研究，而是采用了一套成熟的CFD分析软件来进行自定义改造以此来形成自己的计算框架。
　　这样做的好处主要还是采用一个经过验证的方法模型可以大幅缩短开发周期和成本，并尽可能加快研究的进度。虽然由此可能会带来一些＂自由度＂方面的缺失（比如说对于自身构型的某些特殊特点无法完美复现，比如说刚性旋翼的挥舞特点），但是西科斯基公司完全可以借助缩比模型测试和试飞数据的修正来弥补这些小瑕疵。
　　对于我们来说，其中有一个关键点就是——逻辑懂了，那么去哪里找一款合适的成熟商用软件呢？
　　其次是用，一方面是直接用西科斯基公司已经得出的结论来指导研究的前进方向，重复造轮子在某些情况下（比如纯理论研究或者预先研究）实际上是没有太大的必要的；另一方面就是用相应的先进的技术方法来进行研究，从内在逻辑出发，形成自己的方法体系。
　　学以致用往上走就是＂创造和改进＂，我认为主要就是＂务实＂地针对实际情况改造相应的技术方法，使其能够实实在在与＂本地＂的研究内容相结合，如果这一步能够顺利走通的话，那么在此基础上创造出包含一系列＂微创新＂的改进方法也不是不可能。
　　愿与诸君共勉。