常规单旋翼带尾桨构型的直升机由于存在前行桨叶激波和后行桨叶动态失速等限制因素,无法实现高速飞行。共轴式刚性双旋翼直升机省去了用于平衡反扭矩的尾桨,提高了功率利用效率,并通过对后行桨叶进行卸载,充分发挥了前行桨叶的升力潜能,突破了常规构型直升机大速度飞行时旋翼的气动约束,使得共轴刚性旋翼直升机具备高速飞行的能力,因此成为了当前国际直升机领域的研究热点。然而,共轴刚性旋翼独特的运转模式和飞行状态使得其气动环境比常规构型旋翼复杂,这给共轴刚性旋翼的流场干扰现象、气动和噪声特性的研究带来了较大难度。鉴于此,首先,基于运动嵌套网格技术和可压RANS方程发展了一套适用于共轴刚性旋翼流场的CFD方法,继而采用FW-H方程发展了适用于共轴刚性旋翼声场的计算方法;然后,进行了悬停和前飞状态共轴刚性旋翼流场干扰机理、气动和噪声特性的计算分析;最后,基于建立的高效组合优化方法,开展了共轴刚性旋翼桨叶气动布局优化设计研究。主要研究工作包括以下几个方面:作为前提和背景,本文首先阐述了论文的研究目的和意义,针对复合式高速直升机、共轴刚性旋翼流场及气动噪声特性的计算方法、旋翼气动布局设计等国内外研究现状进行了概述,提出了目前研究中仍存在的问题及本文相应的解决方法。针对共轴刚性旋翼运动的特殊性,第二章首先发展了适合于共轴刚性双旋翼非定常流场CFD计算的结构运动嵌套网格方法,提出了高效的参数化桨叶网格生成方法和改进的“透视图”挖洞方法。然后,基于可压RANS方程发展了适合于共轴刚性双旋翼非定常流场计算的CFD方法,为了提高计算精度和效率,该方法采用Roe-MUSCL空间离散格式、LU-SGS隐式推进格式和S-A湍流模型。同时,基于Newton-Rhapson迭代法建立了适合于共轴刚性旋翼悬停和前飞状态的配平方法。算例验证表明建立的CFD方法在捕捉旋翼涡流动和气动特性等方面具有高效、高精度的特点,为下一步开展旋翼气动噪声计算及气动布局优化工作奠定了分析基础。基于建立的CFD方法,第三章进行了悬停状态共轴刚性旋翼涡流场干扰机理和气动特性计算。对较为突出的桨-涡干扰、涡-涡干扰现象进行了研究,细致分析了干扰过程中桨尖涡涡核位置及强度演变规律,揭示了共轴旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理;通过比较上、下旋翼气动力之间的差别分析了共轴双旋翼流场中独特的“厚度效应”和“载荷效应”。针对悬停状态旋翼气动性能进行了桨叶平面外形的参数分析,包括后掠角、后掠起始位置及尖削非线性弦长分布等,获得了一些新结论。第四章进行了高速前飞状态共轴刚性旋翼气动特性计算和平面布局参数分析。对高速前飞时的前行侧桨叶和后行侧桨叶的气动力变化进行了细致比较,结果清晰反映了“前行桨叶概念”旋翼典型的载荷分布特征;同时,开展了高速前飞时的“厚度效应”对上、下旋翼气动力的影响分析。然后,对不同前飞速度共轴刚性旋翼气动性能进行了计算,给出了升阻比性能曲线,进而分析了不同前飞速度时的上、下旋翼之间的气动特性;同时,揭示了前行侧桨叶在高速前飞时的强压缩性引起的气流分离现象以及升力偏置量对共轴刚性旋翼气动性能的影响规律。最后,针对高速前飞状态,进行了双旋翼桨叶平面外形的参数影响分析,获得了一些对于提高共轴刚性旋翼高速前飞性能有意义的结论。在流场求解的基础上,第五章基于FW-H方程发展了一套鲁棒性高的旋翼气动噪声计算方法,可同时适用于常规单旋翼和共轴双旋翼的噪声特性计算。随后通过对UH-1H模型旋翼和AH-1G模型旋翼噪声特性进行了算例验证,对比结果表明建立的气动噪声计算模型适合于进行旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声、高速脉冲(HSI)噪声的预估分析。通过理论分析和数值计算,研究了在不同桨尖马赫数下的旋翼桨尖附近的“离域化”现象以及高速脉冲噪声辐射特性,通过四极子噪声和单极子噪声的对比分析,揭示了旋翼跨声速噪声产生机理,并进一步研究了不同后掠、前掠和尖削桨尖旋翼在抑制旋翼跨声速特性方面的影响特性。最后,对悬停和前飞状态共轴刚性旋翼气动噪声声压时间历程、频谱特性以及传播特性等进行了计算分析,并与常规单旋翼噪声特性进行了比较,获得了一些新的结论。第六章建立了一套旋翼气动布局优化设计方法,分别针对常规单旋翼、剪刀尾桨及共轴刚性旋翼气动布局进行了优化设计。首先,基于拉丁超立方方法和径向基函数建立了代理模型优化方法,并且将代理模型方法和遗传算法相结合建立了一套高效的组合优化方法。然后,以降低旋翼HSI噪声为目标,以旋翼气动性能为约束,优化设计出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的新型桨尖外形方案。接着,以悬停效率和噪声声压级为目标函数,设计参数包括剪刀角和轴间距,优化设计出悬停性能和噪声特性均优的剪刀式尾桨构型。最后,针对共轴双旋翼的工作特点和气动环境,开展了共轴刚性旋翼桨叶气动布局优化设计,获得了高性能的共轴刚性旋翼桨叶气动布局设计方案。第七章针对全文的研究内容进行了工作总结,指出了本文的创新点,并且提出了下一步需要开展的研究工作。