1.本发明属于旋翼翼型设计领域，尤其涉及一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型。
背景技术：
2.旋翼是直升机悬停以及前飞的核心部件，由于旋翼同时处于前飞以及自身旋转两种不同的流场之中，同时会面临着前行桨叶激波以及后行桨叶失速两种流场特征，这也导致直升机的前飞速度难以大幅提升。为了突破这一瓶颈，共轴双旋翼直升机概念应运而生。这种直升机共轴双旋翼作为垂直飞行时的升力系统，采用推力螺旋桨作为前飞时的推进系统，充分发挥了各自优势，保持了共轴双旋翼的高悬停效率和自转下滑能力，以及螺旋桨的高效推进能力。
3.由于共轴直升机的前飞速度提升，旋翼的实际马赫数更高，在翼型设计中除了力矩控制的约束外，阻力发散特性变得尤其重要。而为了减阻，自然层流设计又是翼型设计的关键。传统的自然层流翼型通过推迟压力恢复来实现足够的层流区，但同时也导致了压力恢复范围较小，在高速时极易形成激波，带来激波阻力的增加，这是自然层流设计与超临界设计的矛盾。且对于共轴直升机，前行桨叶中外段激波强度和激波位置随马赫数变化非常敏感，气动力系数变化剧烈，因此，这一位置处的翼型还要能够维持一定范围内阻力系数的稳健性。
技术实现要素：
4.为了满足共轴双旋翼直升机前飞速度提升对旋翼翼型阻力发散特性的需求以及克服超临界翼型与自然层流翼型设计之间的矛盾，并且满足共轴双旋翼直升机旋翼中外段翼型阻力系数稳健性要求，本发明提出一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型，该翼型相对于经典的厚度为9％前行桨叶oa309，前缘半径增大，有更小的最大弯度，最大厚度位置相比oa309的33％弦长处移动到了40.6％弦长处。在跨声速状态下可以有效削弱激波强度，提升翼型的气动特性。同时该翼型后缘凸起能够进一步平衡力矩，使其较0a309在跨声速范围拥有更好的力矩特性。
5.本发明的技术方案为：
6.一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型，翼型前缘半径0.78％，翼型最大厚度为9.0％，位于翼型40.6％弦长处，最大弯度为0.69％，位于翼型14.0％弦长处，后缘夹角为1.46度；所述前缘半径、最大厚度、最大弯度采用无量纲量描述，以翼型弦长c为基准。
7.进一步的，翼型上表面和下表面的几何坐标表达式为：
8.9.其中x表示翼型上表面或者下表面的横坐标，y代表翼型上表面或者下表面对应的纵坐标，n代表cst参数化方法的阶次，y
tail
代表翼型根部台阶的y坐标；
10.翼型上表面拟合系数为：
[0011][0012]
翼型下表面拟合系数为：
[0013][0014]
进一步的，翼型上、下表面拟合系数优选：
[0015]
翼型上表面拟合系数为：
[0016][0017]
翼型下表面拟合系数为：
[0018][0019]
进一步的，用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型上下表面坐标点位置为：
[0020]
上表面坐标：
[0021]
[0022][0023]
[0024]
下表面坐标：
[0025]
[0026][0027]
有益效果
[0028]
本发明提供了一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型。本发明在保证低速气动性能损失不大的情况下，跨声速状态的零升力矩比oa309翼型有了明显的下降，使得翼型由力矩控制的可用马赫数范围明显增大；该翼型的阻力发散特性也显著优于oa309翼型，达到了马赫数0.844，比oa309提升了0.013，具体体现在该翼型能够在跨声速状态下削弱翼型上表面激波；且满足共轴双旋翼直升机旋翼中外段翼型阻力系数稳健性要求，为共轴双旋翼直升机桨叶中部的翼型设计奠定了基础。
[0029]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变
得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0030]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0031]
图1为本发明翼型几何外形图。
[0032]
图2为本发明翼型几何外形图与oa309翼型几何外形图对比。
[0033]
图3为本发明翼型与oa309翼型在考察点压力形态分布对比图。
[0034]
图4为本发明翼型与oa309翼型阻力发散曲线对比图。
[0035]
图5为本发明翼型与oa309翼型力矩曲线对比图。
[0036]
图6为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.3时的升力系数曲线对比图。
[0037]
图7为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.3时的升阻比曲线对比图。
[0038]
图8为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.4时的升力系数曲线对比图。
[0039]
图9为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.4时的升阻比曲线对比图。
[0040]
图10为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.5时的升力系数曲线对比图。
[0041]
图11为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.5时的升阻比曲线对比图。
[0042]
图12为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.6时的升力系数曲线对比图。
[0043]
图13为本发明翼型与oa309翼型在低速状态ma＝0.6时的升阻比曲线对比图。
具体实施方式
[0044]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0045]
为了满足共轴双旋翼直升机前飞速度提升对旋翼翼型阻力发散特性的需求以及克服超临界翼型与自然层流翼型设计之间的矛盾，本发明设计了一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型，该翼型用于旋翼中段，还需维持一定范围内阻力系数的稳健性。
[0046]
该翼型设计思路为基于代理优化方法，对旋翼翼型在低速状态ma＝0.3，ma＝0.4，ma＝0.5以及ma＝0.6的阻力进行约束，保证其气动性能在低速下的气动性能不至于损失严重。在此基础上进一步优化其跨声速气动特性，以降低翼型的阻力和力矩，提高阻力发散马赫数。以上为本翼型的优化方式，不属于翼型特征参数，故不在此赘述。
[0047]
本实施例中提到的一种用于高速共轴双旋翼直升机桨叶中部的低力矩超临界自然层流翼型，其高速的考察马赫数为0.78-0.87马赫，音速雷诺数为7.2e6。翼型按照横纵坐标比例为1的图纸绘制如图1所示。
[0048]
翼型前缘半径0.78％，翼型最大厚度为9.0％，位于翼型40.6％弦长处，最大弯度为0.69％，位于翼型14.0％弦长处，后缘夹角为1.46度。需要注意的是，翼型设计中，参数描述均采用无量纲化处理，所以上述几何特征均为采用翼型弦长c无量纲化后的结果。
[0049]
具体的翼型上下表面坐标表达解析式为：
[0050]
[0051]
其中x表示翼型上表面或者下表面的横坐标，y代表翼型上表面或者下表面对应的纵坐标，n代表cst参数化方法的阶次，对于本实施例，运用的7阶cst参数化方法，n则为7，y
tail
代表翼型根部台阶的y坐标。
[0052]
翼型上下表面具体的拟合系数为：
[0053]
本翼型的上表面相关参数描述为：
[0054][0055]
本翼型的下表面相关参数描述为：
[0056][0057]
本实施例翼型上下表面坐标为：
[0058]
上表面坐标：
[0059]
[0060][0061]
下表面坐标：
[0062]
[0063][0064]
将本实施例与经典9％厚度的oa309翼型进行对比：
[0065]
图2为两种翼型的几何外形对比图，为了更好的观察其差异，设置坐标轴纵横比为0.25，可以看出本实施例的翼型(图中图例命名为opt)相对于参考翼型(图例命名为oa309)具有更大的前缘半径；本实施例相较与参考翼型在前缘上表面拥有更小的斜率，前缘下表面拥有更大的斜率；本实施例相比于参考翼型的最大厚度位置后移；本实施例相比于参考翼型拥有更小的最大弯度，且在翼型后缘处较为凸起。
[0066]
几何的差异必然带来气动上的变化。首先分析本发明在高速零升设计状态下(ma＝0.84，re＝7.2e6，cl＝0.00)的气动性能。图3给出了本发明翼型与oa309翼型在高速零升状态下的压力分布形态图。前缘上表面斜率减小，前缘下表面斜率增加，使得本发明翼型的前缘下表面吸力峰减小，同时将翼型上表面的一道强激波转变为两道弱激波，这使得该翼型在一定马赫数范围内具有优良的低阻特性以及阻力发散特性。参考翼型oa309后部上下表面的压力分布曲线形成的空间很大，大的低头力矩没有得到配平。而本发明后部的凸起为其提供了抬头力矩，从而降低翼型的力矩绝对值。
[0067]
图4为本发明翼型与oa309翼型在跨声速状态下的阻力发散曲线对比图，可以看
出，本发明翼型相比oa309翼型在0.78马赫到0.87马赫之间拥有更低的零升阻力，阻力发散马赫数从0.831提升到0.844，提升了0.013马赫。图5为本发明翼型与oa309翼型在跨声速状态下的力矩曲线对比图，可以看出，本发明翼型的力矩绝对值相对于oa309翼型有很大的降低，有更优秀的力矩特性。
[0068]
本发明低速状态ma＝0.3，ma＝0.4，ma＝0.5以及ma＝0.6的升力系数曲线和升阻比曲线分别如图6，图7，图8，图9，图10，图11，图12和图13所示，可以观察到，本发明的低速升力特性相对于oa309有所降低，低速升阻比特性在小攻角内与oa309相当，而大攻角的升阻比特性有所降低，但这对于旋翼而言是可以接受的；而且也能够维持一定范围内阻力系数的稳健性，满足高速共轴双旋翼直升机桨叶中部翼型要求。
[0069]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。