旋翼近水面效應影響因素

白興之，吳文華，*，林澤鋮，范召林，張代賢，高?？?/p>

(1.中國空氣動力研究與發展中心 跨介質飛行器研究中心，綿陽 621000；2.中國空氣動力研究與發展中心 空天技術研究所，綿陽 621000；3.中國空氣動力研究與發展中心，綿陽 621000)

0 引 言

實驗發現，不同于地面效應帶來的增升、減阻，旋翼在非常接近水面時具有不同的氣動特性，這種現象是由旋翼近水面效應造成的。該現象主要發生于跨介質飛行器的介質跨越階段。

跨介質飛行器是一種可以多次跨越介質界面并長時間在空中飛行或水下潛航的飛行器，在海洋觀測、通信中繼等領域具有巨大的潛在應用價值[1-2]。優良的水空跨越能力是常規飛行器所不具備的，也是跨介質飛行器研制的技術難點。目前，跨介質飛行器進行介質跨越的方式主要有兩種：（1）通過水空一體推進系統，在介質交界面處進行連續跨越[3-5]；（2）利用兩套獨立的推進系統在各自適用的介質中工作，通過單個推進系統或浮力控制系統將飛行器推至介質交界面，再啟動另一套推進系統或浮力控制系統進行介質跨越[6-10]。兩種跨越方式都存在一個共同點：機身具有一定高度的吃水線，使得跨介質飛行器旋翼與水面距離Hw明顯小于常規飛行器旋翼與地面的距離Hg，如圖1所示（圖中D為旋翼的槳葉直徑）。既不同于旋翼飛行器在固壁面上產生的地面效應[11-13]，也不同于固定翼飛行器在波浪面上產生的地面效應[14-16]，近水面效應作用下旋翼離介質交界面更近且交界面為水，在下洗氣流的沖擊下，水面發生劇烈變形，并破碎產生大量液滴，液滴與旋翼撞擊使得旋翼受力情況變得非常復雜。

圖1 近水面效應示意圖Fig.1 Schematic of near water effect

近年來，國內外學者在跨介質飛行器介質跨越的飛控算法仿真研究中，一般基于傳統地面效應經驗公式[17]，或將流體密度處理為距離水面高度的函數[18-20]，以及采用空氣槳葉的定常升力系數[21]來建立介質跨越動力學模型。在數值模擬研究中主要關注連續出入水過程中附加質量與空化對飛行器產生的擾動[22-23]、水面凹陷導致的地效變化[24-25]，而較少關注旋翼在近水面處高速轉動誘導的復雜液滴場給旋翼氣動特性造成的影響。

隨著對跨介質飛行器研制的深入，在多個技術驗證機的試飛過程中，人們逐漸認識到近水面效應對跨介質飛行器介質跨越的影響。Qi等[26]通過實驗測量了四旋翼跨介質飛行器在離水面不同高度處懸停所需升力，提出了修正地效公式并設計了自抗干擾控制器以應對水面波動導致的內部擾動?；粲昙训萚27]首次通過實驗發現了涵道風扇推進器在近水面處高速轉動會使水面產生擾動與水汽，其推力相較于在空氣中有著不同程度減弱。聶星宇等[28]發現涵道風扇的下洗氣流擾動水面產生水花，導致近水面推力最大損失約70%。昂海松等[29]通過實驗發現了傾轉旋翼跨介質飛行器在水面直接升空時，脫水過程中存在不穩定現象。公開資料表明，國內外研制的跨介質飛行器仍處于“小型化”的技術驗證階段。小型無人機推重比大，介質跨越過程非常短暫，導致對于近水面效應的重要性認識不足，認為旋翼的近水面效應對跨介質飛行器的影響主要表現為一種“弱地效”。目前尚無近水面效應的系統性研究。

本文針對該研究領域的空白，通過地面、水面實驗，研究了不同槳葉直徑、槳葉類型的碳纖維旋翼的近水面效應，分析了近水面效應對旋翼氣動性能影響因素，揭示了影響規律。研究結論對理解近水面效應的潛在危害、優化跨介質飛行器布局及旋翼設計、建立介質跨越階段的精確動力學模型具有重要的參考意義。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置及模型

本文開展的近水面與地面實驗均在水池中所搭建的近水面效應測試臺上開展。測試臺由兩側支架、主梁、升降機、傳感器、數據采集盒、無刷電機、電調、旋翼槳葉及穩壓電源構成，其中支架與升降機用于調節旋翼到水面/地面的距離，水面測試過程水深約0.3 m。測試臺如圖2所示。

圖2 近水面效應測試臺Fig.2 Experimental device for near water surface effects

實驗旋翼為直徑D= 0.56、0.25 m商用碳纖維槳葉，如圖3所示。4個槳葉分別為：①D= 0.56 m薄翼型槳葉，作為基準槳葉研究地面效應與近水面效應差異；②D= 0.56 m厚翼型槳葉、③帶小翼槳葉（除小翼外，其他參數與薄翼型槳葉基本相同），作為對照研究槳葉類型對近水面效應的影響；④D= 0.25 m槳葉，作為對照研究槳葉直徑對近水面效應的影響。薄翼型槳葉與厚翼型槳葉的不同徑向截面處翼型差異如表1所示。實驗過程中槳葉的槳距角均不發生改變。

表1 槳葉不同截面處翼型對比Table 1 Airfoils at different radial positions of blades

圖3 旋翼槳葉模型Fig.3 Tested rotor blade models

1.2 測控設備

近水面效應測試臺布置了拉力、扭矩、轉速、直流電流、直流電壓傳感器來測量相關物理量。由于測試過程中會有大量液滴進入槳盤，導致光電類測速傳感器的反射光線均無法精準返回，測量存在巨大誤差。因此測量過程中采用了槳葉上固定微型磁鐵與貼近槳葉的霍爾傳感器配合的方式來測量轉速，如圖4所示。

圖4 傳感器布置Fig.4 Sensors placement

2 實驗方法

由于不同槳葉類型的旋翼最大轉速不同，因此統一采用遙控器油門輸入值作為數據采集節點。通過升降機將旋翼置于不同離地面/水面高度處，操作遙控器調至不同油門，在每個油門值下記錄3 s實時的拉力、扭矩、轉速、直流電流、直流電壓數據，在數據處理時按每個油門值下的平均值處理。

采集數據對應的油門值為：40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，旋翼水面、地面實驗的高度Hw與Hg的區間均為 (0.1R，4R)，R為槳葉半徑。

拉力、扭矩、功率采用無量綱處理，拉力系數、力矩系數與功率系數可表達為[30]：

其中：T為旋翼產生的拉力；Q為電機輸出扭矩；P為電機輸出功率；ρ為空氣密度，1.225 kg/m3；ω為旋翼角速度，rad/s；n為轉速，r/min。

Hg= 4R時的工況視為遠離壁面無地效（out of ground effect, OGE）工況，為量化近水面效應（near water effect, NWE）與地面效應（in ground effect, IGE）的差別，近水面相對近地面工況時拉力損失T_loss、拉力系數損失CT_loss、轉速損失n_loss分別為：

其中：下標g表示近地面工況，w表示近水面工況。通過分析計算，NWE相較于IGE的拉力與拉力系數損失、轉速損失的關系為：

由于液滴群對旋翼槳葉存在非定常作用，不同時刻旋翼與液滴接觸的數量不同，導致旋翼拉力存在一定范圍的波動，因此可以用拉力波動系數Tfluc來描述液滴與旋翼作用的劇烈程度：

其中，Tmax、Tmin、Tave分別為當前油門下測得的拉力最大值、最小值、平均值。

為驗證水氣交混流場是否對電機造成損壞導致實驗不可重復，相同直徑槳葉的水面、地面實驗始終采用同一個電機，先完成水面實驗，再開展地面測試，實驗后電機性能數據與出廠性能數據相同，驗證了電機無損壞，因此旋翼近水面效應實驗具有可重復性。

本文繪圖所用數據均采用高斯濾波處理。

3 結果與分析

實驗表明，旋翼在近水面處轉動時，會形成一個大尺度的波浪-液滴-空氣混合流場（以下簡稱水氣交混流場）。根據旋翼轉速與Hw的不同，水氣交混流場的形成與演化過程可簡單分為三個階段。在第一階段時，在強勁下洗氣流的作用下，誘導水面變形下凹，生成向四周周期性擴散的螺旋狀波浪；在凹陷的邊緣出現水花，大量液滴在水花邊緣破碎并向四周潑濺，少量液滴被向上卷起但是未進入槳盤與旋翼碰撞，如圖5所示。

圖5 水氣交混流場第一階段Fig.5 The first stage of mixed air-water flows

隨著旋翼轉速增加與Hw降低，液滴潑濺增強并產生向內聚攏趨勢，大部分液滴以聚集潑濺狀到達較低高度、較遠距離；在翼尖渦的作用下，少量液滴以點散狀飛濺到較大高度并掉入槳盤，同時伴有向四周周期性擴散的水霧，如圖6所示，形成第二階段。

圖6 水氣交混流場第二階段Fig.6 The second stage of mixed air-water flows

隨著Hw進一步降低至貼近水面處，水面凹陷加劇，大量液滴從水面卷起、破碎，并伴有大量向上升起的水霧，向四周潑濺的液滴變大且潑濺距離更遠。落入槳盤的液滴數量急劇增加，產生明顯的旋翼槳葉與水撞擊的聲音，此為第三階段。該階段類似于直升機的“沙盲”現象[31-32]，強勁的翼尖渦卷起附近輕小物體，如圖7所示。

圖7 水氣交混流場第三階段Fig.7 The third stage of mixed air-water flows

3.1 近水面效應作用下旋翼拉力特性

圖8、圖9為D= 0.56 m薄翼型旋翼在近地面和近水面工況下的拉力特性曲線，橫坐標采用對數坐標表示，單獨標注出了0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、1、2、4這幾個關鍵節點。對比可以看出，旋翼在近水面工況下產生的拉力系數始終高于無地效工況，但是小于地效工況，因此近水面效應具有一定的增升效果。增升機制與地面效應相同，主要源于地面/水面對旋翼下洗氣流的阻滯產生的高壓區。由圖9可以看出在低油門輸入（40%～60%油門）時旋翼處于線性增升區，NWE的CT曲線與IGE的CT曲線趨勢相同，但是略低于IGE工況下的CT，類似于一種“弱地效”。產生該現象的主要原因為，在水氣交混流場演化的第一階段，旋翼尾跡到達水面后不會立刻滯止和向四周偏轉，而是將自由液面下壓形成水面凹陷，部分氣壓用于維持水面的下凹變形，同時水面凹陷增大了水面到旋翼的距離Hw，因此近水面工況中旋翼下方的高壓區相對較弱，增升效果相對較弱。

圖8 D = 0.56 m薄翼型槳葉近地面工況下的拉力特性Fig.8 Thrust characteristics of the thin airfoil blade with a diameter of 0.56 m in near-ground conditions

圖9 0.56 m薄翼型槳葉近水面工況下的拉力特性Fig.9 Thrust characteristics of the thin airfoil blade with a diameter of 0.56 m in near-water conditions

在高油門時（70%～100%油門），在遠離水面的0.7R~2R范圍內CT曲線接近于線性增長，在0.6R附近出現了拐點，隨著Hw降低，CT曲線呈現出“先減小后增大”的趨勢，且油門越低，拐點出現的位置越靠近水面。這是由于在水氣交混流場的第二階段（圖6），液滴開始進入槳盤，與旋翼撞擊造成的。在水氣交混流場的第三階段（圖7），大量液滴進入槳盤，液滴與旋翼產生劇烈作用導致CT損失越大，且由于旋翼十分接近水面，水面凹陷增大，高壓區進一步減弱，導致滿油門的NWE相較于IGE增升效果不明顯。

圖10展示了兩個典型Hg與Hw下IGE與NWE拉 力 系 數 的 對 比。在Hg= 0.5R處、轉 速3400～4100 r/min區間內，IGE、NWE的拉力系數幾乎相同，表明此時相對較弱的水面凹陷對于旋翼增升效果影響不大。在轉速超過4100 r/min左右后，IGE的增升效果隨著轉速增大而少量增加；而NWE的曲線較為平坦，增升效果弱于IGE，表明此時一定程度的水面凹陷減弱了旋翼的增升效果，形成一種“弱地效”現象，且衰減效果隨著轉速增大而增大。在轉速超過6100 r/min后，液滴開始進入槳盤，NWE的曲線出現了明顯的下降趨勢。在Hg= 0.1R處、轉速3400～4700 r/min區間內，一定程度的水面凹陷與波浪造成了IGE與NWE的增升效果出現明顯的差別。當轉速超過4700 r/min后，液滴開始進入槳盤，轉速越大液滴與旋翼作用越劇烈，使得該轉速區間內拉力系數急劇降低。

圖10 0.56 m薄翼型槳葉NWE、IGE、OGE拉力系數與轉速關系Fig.10 Relationship between thrust coefficient and rotor speed of D = 0.56 m thin airfoil blade with near-surface effect, inguound effect and out of ground effect

NWE中液滴與旋翼的作用與飛行器在降雨環境中飛行時雨滴對翼型氣動特性的影響相似[33-35]，其作用機制可能為液滴與槳葉前緣撞擊，減弱了吸力面前緣的低壓區[36]，或是槳葉表面形成的水膜[37]（圖11）、水流層引起了槳葉表面粗糙度變化，進而導致翼型升力系數的減小與阻力系數的增加。由于缺乏對水氣交混流場中液滴粒徑、速度、降雨率的定量測量，液滴與旋翼相互作用導致CT降低的機制與效果有待進一步研究。

圖11 槳葉上殘留的水膜Fig.11 Water film remained on the blade

3.2 近水面效應作用下旋翼拉力損失分析

由圖12、圖9可以看出，相較于IGE，NWE拉力損失T_loss最大約為31%（以0.1R為例），拉力系數損失CT_loss最大約為21%，說明有其他因素導致總拉力的降低。

圖12 D = 0.56 m槳葉近水面/近地面、100%油門下拉力與拉力系數的對比Fig.12 Thrust and thrust coefficient comparison of D = 0.56 m thin airfoil blade between IGE and NWE under 100% throttle

如圖13，在近水面處由于液滴濃度較大，旋翼在大量液滴的撞擊下轉速降低，NWE相對IGE的測量所得拉力損失與式（7）計算所得拉力損失曲線相重合，表明拉力損失是CT與n降低共同導致的。其中CT降低是由液滴與旋翼作用導致的前緣壓力變化以及水面變形導致的下翼面高壓區變弱等因素所造成的，轉速n降低是由液滴撞擊高速旋翼造成扭矩增大造成的。其中n_loss最大約為6%，CT_loss最大約為21%。轉速損失對拉力損失的貢獻隨著Hw增大而減小，直至Hw= 0.6R時，液滴與旋翼撞擊導致轉速降低的效果幾乎已不存在，只有水面變形導致的高壓區減弱造成CT降低。由于大尺度的液滴場與劇烈的水面變形總是同時存在的，僅在轉速較高、Hw較小的工況下出現，因此目前難以將水面附近高壓區削弱與液滴對旋翼作用導致的拉力系數降低程度進行解耦與評估。

圖13 100%油門NWE拉力損失構成Fig.13 Distribution of thrust loss under NWE state compared with IGE under 100% throttle

3.3 近水面效應作用下旋翼扭矩特性

如圖14，從Hg= 0.5R附近開始，扭矩隨著Hg減小而減小。該現象是由于IGE中固壁面的存在，使得翼尖處下翼面向上翻轉的氣流減少，旋翼翼尖渦強度被削弱，進而導致誘導阻力減少造成的。

圖14 D = 0.56 m薄翼型槳葉IGE扭矩特性Fig.14 Moment characteristics under IGE state of D = 0.56 m thin airfoil blade

如圖15，旋翼在NWE影響下，低油門工況下的扭矩特性曲線趨勢與IGE相同，隨著Hw減小而減小，表明旋翼在靠近水面時同樣存在翼尖渦被抑制的情況。但是NWE的減阻效果相對較弱，在40%油門時，CQ拐點在Hw= 0.5R處；50%油門時，CQ拐點在Hw= 0.3R處，因此可能是凹陷的水面增加了旋翼到水面的距離，削弱了水面對翼尖渦的抑制作用，導致低油門下NWE的CQ大于IGE的CQ、小于OGE的CQ。

圖15 D = 0.56 m薄翼型槳葉NWE扭矩特性Fig.15 Moment characteristicss of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE state

在高油門工況下，NWE的CQ始終大于OGE的CQ。Hw＞ 0.6R時，曲線都是接近水平；當Hw＜0.6R，CQ隨著Hw減小而明顯增大，這是由于液滴開始進入槳盤，與旋翼撞擊產生阻力，尤其是在Hw=0.1R～0.3R內，隨著液滴與槳葉的劇烈作用CQ急劇增加。此外，CQ增加的另一可能原因為：凹陷的水面偏折了IGE中旋翼尾跡經地面偏轉后形成的壁面射流[38]，使其部分向斜上方發展，形成繞過翼尖的環流，進而增強了翼尖渦。

從圖16可見，在Hw= 0.5R處、轉速3400～4700 r/min區間內，IGE、OGE、NWE工況下的扭矩系數曲線幾乎重合，隨著轉速增大，少量液滴開始與旋翼撞擊，導致NWE的扭矩系數出現緩慢增長。在Hw= 0.1R處、轉速3400～4700 r/min區間內，旋翼貼近水面導致翼尖渦被明顯削弱，扭矩小于OGE工況，但大于IGE工況，且扭矩系數變化趨勢與圖10中拉力系數變化趨勢相同。但隨著轉速增大，進入槳盤液滴增多，扭矩明顯增大，遠高于OGE。因此在最危險的Hw=0.1R工況下，轉速3400～4700 r/min區間內近水面效應具有減阻效果，在4700～6500 r/min區間內近水面效應具有增阻效果。

3.4 近水面效應作用下旋翼轉速特性

對比圖17與圖18，IGE相比OGE，轉速n隨著Hg減小而增大，n最大增加4.21%，這是由于翼尖渦被抑制導致CQ減小造成的。

NWE在低油門工況下，n隨著Hw減小而增大，n增大原因與IGE相同。高油門下n隨著Hw減小而減小，相比OGE，轉速最大減小2.86%。這是由于高油門工況下水氣交混流場的液滴與槳葉撞擊使得CQ增大、n降低。

3.5 近水面效應作用下旋翼功率特性

如圖19，在IGE作用下，Hw= 0.1R～0.5R區間內旋翼誘導阻力減小，隨著Hg減小電機扭矩、功率降低。如圖20，在NWE作用下，Hw= 0.7R～4R區間內功率幾乎沒有變化。在Hw= 0.1R～1.2R區間內，低油門工況下的CP曲線保留了IGE的特征，CP隨著Hw減小而減小，但是變化幅度較??；高油門工況下，CP隨著Hw減小而增大，主要原因為旋翼受到液滴的撞擊導致電機輸出扭矩增大，轉速降低。

圖19 D = 0.56 m薄翼型槳葉IGE功率特性Fig.19 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade under IGE state

圖20 D = 0.56 m薄翼型槳葉NWE功率特性Fig.20 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE state

由圖21可看出，以Hw= 0.1R為例，NWE與IGE有相同的特征：相較于OGE，相同功率下拉力更高，相同拉力下需用功率更低。不同之處在于IGE僅需較低功率便可獲得較大增升效果，在相同控制信號下需用功率更??；而相較于IGE，NWE需付出更大功率的代價來獲得較少的增升效果，在相同控制信號下需用功率更大。

圖21 D = 0.56 m薄翼型槳葉NWE、IGE、OGE功率與拉力關系（Hw = 0.1R，Hg = 0.1R）Fig.21 Thrust versus power of D = 0.56 m thin airfoil blade under NWE、IGE、OGE state (Hw = 0.1R，Hg = 0.1R)

值得注意的是，相較于電機在OGE與IGE中持續高功率工作后產生的高溫導致電機效率受到影響，電機在NWE下長時間工作后溫度增加不明顯，這與液滴群有直接關系。電機工作過程中大量液滴沖刷電機外殼，形成對流換熱，使得電機在每組測試后溫度接近于常溫。

3.6 旋翼槳葉類型對近水面效應影響

如圖9、圖22、圖23薄翼型、厚翼型與帶小翼槳葉的拉力特性曲線趨勢、拐點出現位置基本相同。厚翼型槳葉CT波動幅度較大，且在Hw= 0.1R～0.3R區間內曲線較為平緩，表明液滴對其拉力影響更大，可能是厚翼型槳葉前緣半徑較大，與液滴撞擊較多，導致前緣低壓區減弱程度更大造成的。

圖23 D = 0.56 m帶小翼槳葉NWE拉力特性Fig.23 Thrust characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under NWE state

對比圖15、圖24、圖25薄翼型、厚翼型與帶小翼槳葉的扭矩特性曲線，部分趨勢相同，其中厚翼型槳葉在Hw= 0.5R～4R區間內扭矩系數較高，這是本身翼型厚度大造成的；然而在0.1R～0.5R區間內扭矩增長相對平緩，表明在液滴劇烈作用區內阻力增加程度相對較小，這可能與厚翼型槳葉的彎度有關。在每種槳葉質量幾乎相同的情況下，較低的彎度使得附在翼面上的水膜較少（圖11），槳葉附加質量較低，轉動慣量較小，因此受到扭矩較小。

圖24 D = 0.56 m厚翼型槳葉NWE扭矩特性Fig.24 Torque of D = 0.56 m thick airfoil blade for NWE

圖25 D = 0.56 m帶小翼槳葉NWE扭矩特性Fig.25 Torque of D = 0.56 m blade with winglet for NWE

對比圖18、圖26、圖27，相比OGE，薄翼型槳葉轉速最大減小2.86%，帶小翼槳葉轉速最大減少4.97%，厚翼型槳葉最大減少1.04%。相較于其他類型槳葉，帶小翼槳葉向下翻轉的小翼更接近水面，相當于槳尖的Hw更小，部分槳葉與液滴作用更劇烈，因此受到的扭矩最大，轉速降低程度最大。厚翼型槳葉轉速變化最小，與其扭矩變化程度最小是相對應的。

圖26 D = 0.56 m厚翼型槳葉NWE轉速特性Fig.26 Rotor speed characteristics of D = 0.56 m thick airfoil blade under NWE state

圖27 D = 0.56 m帶小翼槳葉NWE轉速特性Fig.27 Rotor speed characteristics D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under under NWE state

對比圖20、圖28與圖29，同扭矩特性曲線一樣，厚翼型槳葉在Hw= 0.5R～4R區間內功率系數較高，而在0.1R～0.5R區間內功率增長最平緩，進一步驗證了厚翼型槳葉受到液滴的作用導致扭矩增加的程度是最小的。

圖28 D = 0.56 m厚翼型槳葉NWE功率特性Fig.28 Power characteristics of D = 0.56 m thick airfoil blade under NWE state

圖29 D = 0.56 m帶小翼槳葉NWE功率特性Fig.29 Power characteristics of D = 0.56 m thin airfoil blade with winglet under NWE state

如圖22、圖26與表2所示，雖然液滴對厚翼型槳葉拉力造成影響更明顯，但是厚翼型槳葉具有良好的扭矩特性，轉速降低程度最小，因此近水面效應作用下最大拉力相較于其他類型槳葉無明顯差異。

表2 D = 0.56 m不同類型槳葉最大拉力對比 （Hw = 0.1R）Table 2 Maximal thrust for different types of blades with D = 0.56 m (Hw = 0.1R)

如圖25、圖27與表3所示，翼尖小翼會使得旋翼在水氣交混流場中所受扭矩明顯增大，該現象可能是小翼帶來的等效翼展增大以及向下偏轉的小翼更接近水面造成的。

表3 D = 0.56 m不同類型槳葉最大扭矩對比（Hw = 0.1R）Table 3 Maximal torque for different types of blades with D = 0.56 m (Hw = 0.1R)

3.7 旋翼槳葉直徑對近水面效應影響

為了研究槳葉直徑對近水面效應的影響，進行了直徑為0.25 m和0.56 m槳葉的對比研究，結果見圖30～圖35。D= 0.25 m碳纖維槳葉的CT曲線如圖30所示，相較于D= 0.56 m槳葉的CT曲線（圖8）最低70%油門與最遠0.5R處就出現拐點，D= 0.25 m槳葉在NWE下線性增升段明顯增多，僅在90%、100%油門下0.2R處才開始出現拐點，大部分NWE工況下都處于類似于地效的線性增升區間，結合圖31的實驗現象，可看出D= 0.25 m槳葉即使在0.1R處以100%油門工作時，尚屬于水氣交混流場的第二階段，部分液滴進入槳盤而無水霧產生，說明D=0.25 m槳葉受到液滴場劇烈作用區間較小，且相互作用程度較低，因此不同直徑槳葉的近水面效應是不同的。

圖30 D = 0.25 m槳葉NWE拉力特性Fig.30 Thrust characteristicss of the blade with a diameter of 0.25 m under NWE state

圖31 D = 0.25 m槳葉誘導的水氣交混流場（Hw = 0.1R）Fig.31 Mixed air-water flows induced by the blade with D = 0.25 m (Hw = 0.1R)

如圖32、圖33、圖34所示，0.25 m槳葉的CQ隨著Hw減小而減小，n較為穩定無明顯變化，表明在整個NWE工況中水面對于旋翼存在減阻效果，其中對翼尖渦的抑制作用占主導，液滴與旋翼撞擊導致的扭矩增加的現象不明顯。0.25 m槳葉的CT、CQ特性更像是一種“弱地效”。

圖32 D = 0.25 m槳葉NWE扭矩特性Fig.32 Torque characteristics of D = 0.25 m blade under NWE state

圖33 D =0.25 m槳葉NWE轉速特性Fig.33 Rotor speed characteristics of D =0.25 m blade under NWE state

圖34 D = 0.25 m槳葉NWE功率特性Fig.34 Rotor power characteristics of D = 0.25 m blade under NWE state

如圖35所示， 在Hw= 0.1R時，0.56 m槳葉拉力波動最大達9%，而0.25 m槳葉拉力波動最大僅為4%，說明液滴與旋翼相互作用相對較弱，符合0.25 m槳葉拉力以線性增升段為主、扭矩減小以及轉速穩定的結論。值得注意的是，液滴與旋翼的撞擊具有非定常性，產生的拉力波動可能是導致旋翼類跨介質飛行器在近水面處懸停時姿態不穩定的重要潛在因素。

圖35 不同直徑槳葉拉力波動系數Fig.35 Thrust fluctuation coefficient comparison among blades of different diameters

在IGE條件下，Hg＞0.5R時，不同槳葉類型或直徑的旋翼拉力增升效果都基本符合Cheeseman與Bennet提出的地效模型[11]，Hg/R越小，增升效果越大。然而在NWE條件下，旋翼誘導的水氣交混流場的形成與演化與n、Hw、D均密切相關（圖9），因此不能簡單地用無量綱數Hw/R來估算近水面效應的增升效果，近水面效應的相似準則有待進一步研究。

此外，0.56 m槳葉在多組實驗后出現了明顯的非對稱結構損傷，如圖36、圖37所示。該損傷最早出現于0.35R處，Hw越小，損傷程度越明顯。損傷主要表現在翼尖的前緣，上翼面與下翼面前緣均有復合材料的層間分層與纖維斷裂，而下翼面更為明顯。而0.25 m槳葉在長時間承受破壞性測試（Hw= 0.1R、100%油門）后未出現任何損傷跡象。

圖36 D = 0.56 m槳葉下翼面結構損傷Fig.36 Structural damage on lower wing of D = 0.56 m blade

圖37 D = 0.56 m槳葉上翼面結構損傷Fig.37 Structural damage on upper wing of D = 0.56 m blade

4 結 論

本文提出了旋翼近水面效應概念：旋翼近水面效應是由旋翼非常接近水面時誘導水氣交混流場引發的，主要包含水面凹陷與液滴群對旋翼的作用。通過開展旋翼近水面、地面實驗，初步認識了近水面效應的影響因素，發現了近水面效應影響規律，得出以下結論：

1） 水面凹陷降低了旋翼拉力，形成一種“弱地效”現象。而液滴群對旋翼的作用主要體現在：（1）類似于雨滴對飛行器的作用導致拉力降低；（2）大量液滴撞擊旋翼導致扭矩增大、轉速降低、需用功率增大；（3）對碳纖維槳葉造成非對稱結構損傷。

2） 對于直徑0.56 m槳葉，低油門工況下近水面效應產生線性增升、扭矩減小的效果，高油門工況下出現非線性增升、扭矩增大、轉速降低的效果。

3） 近水面效應的拉力-功率特性較為特殊，相較于無地效工況，相同功率下拉力更高，相同拉力下需用功率更低。在相同控制信號下拉力更大，需用功率更大。

4） 近水面效應明顯受槳葉尺寸影響，在不同尺寸下水氣交混流場形態差異較大，液滴對旋翼作用的劇烈程度不同，這導致了傳統地效拉力模型不適應于近水面效應。

由于水氣交混流場中液滴群的粒徑、速度等參數不會隨著電機、發動機功率的增大而以相同增幅變化，因此上述結論僅適用于該實驗中所測試的槳葉。