倾转旋翼eVTOL/飞行汽车测试验证/倾转旋翼VTOL风洞测试综述

TTR 试验台主要参数见表 1，旋翼直径最 大为 7. 92 m。TTR 试验台是当前尺寸最大的倾 转旋翼试验台，其为 21 世纪新型大尺寸倾转旋翼气动、噪声特性研究以及倾转旋翼新技术的验证提 供了试验平台，同时为最先进的倾转旋翼分析预测 模型和设计方法研究提供了关键试验数据支持。

2. 1. 2、倾转旋翼缩比模型

20世纪90年代后期，为研究单独倾转旋翼在 不同飞行模式下的气动及噪声特性，NASA研制了1/4 缩比的单独倾转旋翼气动声学模型试验台（Tiltrotor Aeroacoustics Model， TRAM），试 验 台主要由旋翼/短舱、传动、测量、动力等系统构 成，见图 3。试验台电机功率 224 kW，直升机 模 式 旋 翼 桨 尖 马 赫 数 Matip=0. 63，固 定 翼 模 式 Matip=0. 59，短 舱 倾 角 范 围 ：αn=-5° ~95（° 其 中，0°为巡航模式，90°为悬停模式，下文同）。

TRAM 试验台作为验证倾转旋翼气动性能、 噪声分析模型的试验平台，在 DNW 风洞开展了 多期 V-22 旋翼缩比模型的气动、噪声及流场测 量试验。

中国空气动力研究与发展中心（China Aerodynamics Research and Development Center， CARDC）于 2023 年研制了倾转旋翼缩比模型试 验台，该试验台可开展最大旋翼直径 3 m 的倾转 旋翼悬停、过渡及前飞状态下旋翼气动干扰及噪 声试验，该试验台主要技术指标见表 2。

除了利用倾转旋翼试验台开展倾转旋翼性 能及噪声等研究外，国内外也充分利用现有的常 规直升机旋翼试验台开展倾转旋翼试验研究。如 美 国 国 家 航 空 航 天 局（National Aeronautics  and Space Administration，NASA）利用旋翼试验 设 施（Rotor Test Apparatus，RTA）在 NFAC的 24m×36m试验段开展了XV-15单独倾转旋翼 试验，考核了单独倾转旋翼悬停、低速飞行状态下的旋翼性能、噪声特性，并对高阶谐波控制技术（HHC）在倾转旋翼上的应用进行了验证。

欧洲利用 S1MA 风洞配套的直升机旋翼试 验台（Helicopter Rotor Test Bench， BERH），开展倾转旋翼风洞试验，考核倾转旋翼不同飞行模式下的性能及噪声特性。

与专用的倾转旋翼试验台相比，使用常规旋 翼试验台开展倾转旋翼试验具有一定的局限性：一是无法完全模拟倾转旋翼的桨尖马赫数范围；二是模拟的倾转旋翼工况单一，仅能模拟悬停以 及直升机模式前飞工况，无法模拟倾转过渡模式 的工况。

2. 2　倾转旋翼缩比模型全机气动特性研究

倾转旋翼机的旋翼、机身、机翼、襟副翼、平 垂尾等多部件间的气动干扰特性研究及优化是 倾转旋翼机研制的关键技术之一，美国和欧洲分 别基于 V-22 和 ERICA 倾转旋翼机构型，国内基于 V-280 倾转旋翼机气动外形，研制了全展长的 倾转旋翼机缩比模型试验平台，用于开展全机气 动干扰特性及噪声特性研究与评估，表3为国内外全展长倾转旋翼机缩比模型试验设备统计。

美国基于V-22倾转旋翼机外形，于2001年研制了1/4缩比的倾转旋翼机全机缩比模型试 验平台——全展长倾转旋翼气动噪声模型（FullSpan Tiltrotor Aeroacoustic Model，FS TRAM）， 并在 NASA 的NFAC风洞12 m×24 m 试 验 段 进行风洞试验研究（图4）。FS TRAM 主要用于获取倾转旋翼机的全机气动干扰数据、全机气动噪声数据、可视化流场数据以及桨叶结构载 荷数据等，该设备目前作为美国工业部门和政府机构研究倾转旋翼机气动及噪声特性的常用设备。

在欧盟第六框架项目——新型创新竞争高 效倾转旋翼一体化子项目的资助下，欧洲国家联 合研制了机翼/旋翼复合倾转式倾转旋翼机—— 新概念增强型旋翼机（Enhanced Rotorcraft Inno⁃ vative Concept Achievement，ERICA）的 1/5 全 展长缩比模型试验设备——ERICA试验台， 在德荷DNW-LLF风洞9. 5 m×9. 5 m 试验段开 展了直升机模式、过渡模式试验，在法国宇航院 S1MA 风洞（∅8 m）开展了固定翼模式风洞试 验（图 5）。

ERICA试验台由旋翼（桨叶、桨毂、自动倾斜 器等）、机身（机身、倾转机翼、固定机翼、襟副翼、 平尾、垂尾、舵面等）、数采（旋翼天平、机身天平、 铰链力矩天平、压力测量传感器等）、动力、旋翼 操纵等多个系统组成。与 FS TRAM 试验台相 比，ERICA 试验台的数据测量系统、控制系统更 加复杂，单条次试验采集的数据包括旋翼气动 力、桨叶结构载荷、机身气动力、倾转机翼表面压 力、襟副翼铰链力矩、尾翼铰链力矩及尾翼表面压力数据以及安全监控数据等，该试验台是目前 采集参数最多的倾转旋翼机缩比模型试验台，总 的采集参数约 900 个/条次。

作为全展长倾转旋翼机缩比模型试验设备， 欧盟利用 ERICA 试验台，获得了大量的倾转旋 翼全机/部件的气动干扰数据、噪声数据等，该试 验台将作为欧洲研制下一代民用倾转旋翼机的 关键平台，为倾转旋翼全机气动特性验证、关键 部件优化、旋翼动力学研究以及全机气动特性分析方法验证 、飞行力学建模等提供关键支撑作用。

由于目前尚没有型号牵引，国内对于倾转旋 翼机风洞试验及试验技术的研究起步较晚，目前 正处于快速发展阶段。CARDC 于 2022 年研制 了直径 2 m 的倾转旋翼机全机缩比模型试验台， 并利用该试验台开展了倾转旋翼机悬停、过渡及 前飞状态下的全机气动干扰试验（图 6）。CARDC 的倾转旋翼试验台主要由旋翼操纵、主轴倾斜、 测量、数据采集、安全监视、传动、润滑冷却等系 统构成，可完成悬停、过渡及巡航状态下的旋翼、 机 身 、机翼 、襟副翼等部件气动力数据的同步测量。

中国直升机设计研究所、南京航空航天大学研制了分离式的半模倾转旋翼试验台，在中国直升 机设计研究所 8 m×6 m 风洞开口试验段、南京航空航天大学直升机低速风洞开口试验段（3. 4 m× 2. 4 m）开展了部分基础性试验研究工作，部分文献 开展了悬停及前飞状态下倾转旋翼/机翼干扰研究，研究了机翼干扰情况下的旋翼气动特性变化规律，招启军等开展了悬停及过渡状态旋翼/机翼干扰作用下的流场变化规律研究，捕获到明显“喷泉效应”现象，初步揭示了旋 翼/机翼干扰的流动机理。

2. 3、倾转旋翼结构动力学特性研究

2. 3. 1、全尺寸倾转旋翼/机翼耦合动力学

XV-3 原理样机的试飞和风洞试验结果表明 倾转旋翼/机翼之间存在着与螺旋桨飞机不同的 动力学稳定性问题，严重制约了倾转旋翼机飞行 性能的提升。

为研究倾转旋翼机旋翼/短舱/机翼之间的 气弹耦合动力学问题，20 世纪 60~70 年代，美国 研制了专用的全尺寸旋翼/短舱/机翼动力学试 验台（Dynamic Test Stand，DTS），见图 7。DTS 试验台机翼垂直安装于风洞转盘上，并与天平直 接连接，短舱与机翼之间的角度调节范围为 0°~ 20°，旋翼最大驱动功率 2 237 kW，桨毂中心位于 风洞中心线上，离地高度 6. 1m。

DTS试验台可确保机翼、旋翼、短舱的气动及 结构等参数与真机一致，且机翼及短舱的重量和 刚度等可调，试验可同时满足Ma、Fr 和 Lo 相似。NASA利用该试验台在 NFAC 风洞 12 m×24m试 验 段 先 后 开 展 了 Model 300、Model 222 以 及 XV-15 的动力学试验，研究了不同机翼参数（刚 度、重量等）、旋翼系统参数（挥舞变距调节角、桨叶刚度 、桨 毂 形 式 等）对倾转旋翼回转颤振的影响。

2. 3. 2 缩比倾转旋翼/机翼耦合动力学

XV-15 研制期间，倾转旋翼机气弹耦合动力 学问题的试验研究，主要利用缩比的倾转旋翼/机翼/短舱组合模型，在 NASA 兰利的跨声速动 力学风洞（Transonic Dynamics Tunnel，TDT）开 展 ，该 风 洞 使 用 R-12 气 体 介 质 时 ，可 同 时 满 足 Ma、Fr 以及 Lo 相似准则。在该风洞先后研制了 1/7. 5、1/4. 5、1/5 缩比的气弹动力学试验台，其 中，全展长 1/5 缩比的气弹动力学试验台旋翼模 型 直 径 D=1. 52m，旋翼挥舞变距调节角-15° 。研究人员利用该试验台先后开展了Model 300、XV-15全展长缩比气弹耦合动力学。此外，由于该试验台在设计之初就确保了 Ma和Fr相似，该试验台在常规风洞还可开展倾转旋 翼/机翼/短舱的气动干扰试验。