原作者：弗兰克·科鲁奇
翻译:谷歌机翻
翻译初步校对:卷卷的胖爸爸
文章发表于 Vertiflite， 2020 年 11 月/12 月
先进的旋翼机技术通过全面的建模和分析工具揭示了复杂的旋翼机相互作用。
当重型直升机的飞行测试显示出不受欢迎的振动时，耦合计算流体动力学 (CFD) 和结构动力学 (CSD) 建模工具有助于解决问题。位于加利福尼亚州桑尼维尔的 Advanced Rotorcraft Technology, Inc. (ART) 已建立其业务开发软件工具，为旋翼机工程师创建综合模型、支持飞行测试和改进飞行模拟器。
最近的工作重点是美国陆军的未来垂直升升力(FVL) 计划和商用电动垂直起降 (eVTOL) 计划。ART 总裁 Ronald Du Val 博士解释说：“Future Vertical Lift 和 eVTOL 旋翼机都使用具有多个旋翼、螺旋桨、涵道风扇和机翼的变革性配置。这些多个尾流源产生的相互作用空气动力学显着影响旋翼机载荷、振动和气动弹性稳定性。” 他补充到，“当处理单旋翼带尾桨构型时，不会遇到那么多干扰问题。”
RCAS——旋翼机综合分析系统——是美国陆军的主要旋翼机工程分析工具和
。这是 GRCAS 模型查看器。（所有图片均由 ART 提供）
ART 通过更好地建立尾流、载荷、结构、非线性控制和推进系统模型，提高了旋翼飞机仿真的保真度和效率。咨询工程公司的客户包括飞机和模拟器制造商、政府研究机构、大学实验室和政府评估人员。该公司与美国陆军联合开发的旋翼机综合分析系统 (RCAS) 是陆军的主要旋翼机工程工具和 FVL 计划选择的工具。FLIGHTLAB 是 ART 的商业旋翼机建模和仿真工具。值得注意的是，Joby Aviation 在其五乘客 eVTOL 空中出租车的开发中使用了图形增强的 RCAS 代码 GRCAS（参见“第一辆电动 VTOL 独角兽：Joby Aviation”，Vertiflite，2020 年 3 月/4 月）。
FLIGHTLAB 提供概念设计、详细设计和飞行模拟三个层次的模型。建模通常从概念旋翼飞机的几何和质量属性和空气动力学表格开始，以描述旋翼或螺旋桨叶片和机身空气动力学。“有时我们没有这些，所以我们采用叶片和机身的几何形状，并通过 CFD 计算生成气动表格，”Du Val 说。控制系统可以作为框图输入。“如果他们已经设计了控制系统，他们就会给我们设计。否则我们可以为他们设计控制系统。”
概念设计客户获得了 FLIGHTLAB 模型，该模型能够执行基本稳定性测试并以不同的速度、高度和重量“飞行”，以查看概念机是否满足其规定的任务概况。“最初，他们需要的是一个可以通过一系列概念设计测试的模型，”他解释说。“如果他们有一个他们想要设计的任务配置文件，我们会先创建一个假设刚性叶片的基线模型。”
详细设计模型使用耦合 CFD 和 CSD 程序来评估气动弹性稳定性、载荷和振动。“我们实际上可以计算飞机的气动弹性稳定性，并很好地表明施加到结构上的气动载荷，”杜瓦尔观察到。ART 工具能够模拟具有可变 RPM 的多个转子。
Du Val 说，对来自多个空气动力学表面的尾流进行建模对于 eVTOL 飞机尤其重要。“当你把电动机放在每个转子下面时，你就有了分布式升力、分布式推进力。我们可以在一个模型中放置任意数量的旋翼。当前正在建模的配置包括多达 18 个旋翼。除了对多个旋翼进行建模之外，我们还必须对它们彼此之间以及与机翼和机身的相互作用进行建模，以获得综合模型。” Du Val 补充说：“当你有这么多旋翼时，你会将它们连接在梁或桁架结构上，通常旋翼很小以减轻重量。对结构气动弹性进行建模以避免气动弹性不稳定性非常重要。”
FLIGHTLAB 是 ART 的商业旋翼机建模和仿真工具。
ART 建模工具显示倾转旋翼机、共轴直升机和其他创新旋翼机产生的尾流相互作用。
ART 工具还可以模拟旋翼机与外部尾流的相互作用。例如，城市环境中的湍流尾流会造成从屋顶飞行 eVTOL 飞机的危险。建模有助于估计控制余量、控制执行器的尺寸、定义飞行走廊和评估系统故障时的紧急着陆程序。推进系统会影响性能和动态响应。Du Val 指出，“我们有涡轮轴和电动机建模模板，可以根据需要使用和修改。”
FLIGHTLAB 模型可以使用自己的运行时系统接口构建，用于实时模拟，在回路中测试飞行控制计算机和其他硬件。新系统可以在安装到飞机上之前进行测试和改进。高保真模型还可以改进飞行员训练模拟器。基于物理的旋翼机飞行动力学建模方法已成功应用于美国军方的高保真模拟器，包括陆军飞行学校 XXI 教学大纲中的模拟器。ART仿真验证工具（SIMQT）用于验证FLIGHTLAB模型；它“飞行”模拟测试并根据测试数据绘制模型结果。它已广泛用于测试飞行员训练模拟器。
ART 拥有 14 名工程师，他们精通旋翼机结构、空气动力学、控制和推进。三位计算机科学家专门从事建模、仿真和图形用户界面的软件开发。该团队包括 10 名博士和两名 VFS 技术研究员 Hossein Saberi 博士和何成建博士。模型制造商利用了一系列综合建模和分析工具，其中一些是与美国陆军联合开发的。
美国陆军和其他机构已向 ART 提供了用于制作详细模型的现有直升机的数据。
在 1980 年代后期，第二代综合直升机分析系统 (2GCHAS) 为设计人员提供了一个全面的旋翼机建模和分析工具，其中包含类似 NASTRAN 的有限元分析 (FEA) 代码。然而，它在机动飞行方面受到限制。ART 成立于 1982 年，并于 1990 年成为 2GCHAS 和 1990 年代后期改进开发项目 RCAS 的主要承包商。美国陆军向政府用户发布了 RCAS 作为旋翼机工程的非专有工具。ART 的商用 FLIGHTLAB 模块化、可重构代码用于全面和实时的模拟并行发展，并于 1990 年面世。
RCAS 是根据 ART 和美国陆军之间的合作研究与开发协议 (CRADA) 开发的，该协议已经持续了 20 年。“根据 CRADA，ART 支持 RCAS，作为回报，美国陆军向 ART 提供用于生成详细模型的陆军直升机数据，”Du Val 解释说。“他们还为我们提供了用于验证数据的飞行测试数据。” ART 现在拥有大多数美国陆军和海军旋翼机的模型。该公司继续加强 RCAS 并在持续的 CRADA 下支持政府授权的用户。根据单独的小型企业创新研究 (SBIR) 合同，该公司还开发了 GRCAS，这是一种 RCAS 图形用户界面，向政府授权用户提供商业服务。
政府授权的 RCAS 和商业 FLIGHTLAB 代码都对旋翼机的动态响应、载荷和结构进行建模，但具有不同的应用和优势。FLIGHTLAB 用户界面支持飞行动力学和载荷分析，但侧重于飞行动力学。此外，FLIGHTLAB 支持实时操作并提供选择性建模保真度。用户可以自定义模型以平衡计算效率和模型所需的保真度。
RCAS 通常更关注载荷和结构。在飞行测试中，敏捷的 RAH-66 科曼奇侦察攻击直升机在大过载转弯时遇到了主旋翼后退型摆振模态。Du Val 博士回忆说：“使用飞行器的气动弹性模型运行 RCAS 预测了这种模式在与飞行测试相同的条件下的不稳定性。摆振后退模态控制器首先被添加到 RCAS 模型中，随后进行了飞行测试以确认解决方案。” 今天的 GRCAS 具有更易于使用的图形用户界面，受到大多数客户的青睐。
FLIGHTLAB、RCAS 和 GRCAS 共享数字求解技术以及建模组件和系统模板库，以消除大多数应用程序中的编程。FLIGHTLAB 用户从预定义的建模选项中进行选择，并使用 FLIGHTLAB 模型编辑器中的数据输入窗口来创建模型。这些工具能够对复合结构进行建模，并适用于复合直升机、多旋翼和先进的倾转旋翼配置。陆军和海军直升机的 FLIGHTLAB 模型通常用于模拟操纵品质，并提高了训练模拟器的保真度。红石兵工厂的陆军工程师在黑鹰机组训练 (BHAT) 模拟器中使用了 UH-60M 的 FLIGHTLAB 模型。
粘性涡流粒子方法 (VVPM) 生成具有更高效计算的综合尾流模型。
ART 还开发了粘性涡流粒子方法 (VVPM)，以生成具有更高效计算的综合尾流模型。这种基于非网格 Navier-Stokes 的方法准确有效地模拟了尾流相互作用。它可用于在台式计算机上在几分钟内生成分析数据点，因此非常适用于设计和工程分析。由于强烈的相互作用空气动力学，VVPM 对于多旋翼配置的建模尤为重要。
Du Val 表示，ART 将其年收入的 25% 用于内部研发，以提高旋翼机建模的能力和保真度：“ART 所追求的主要研发领域包括增强型 eVTOL 和下一代旋翼机建模技术、先进的CSD/CFD 耦合方法和综合模型的并行处理，以充分利用大型计算机集群。” 这家计算机模型制造商还致力于改进声学模型，以帮助设计更安静的旋翼机以及“零维护”旋翼机的负载/疲劳分析。
