分布式电推进飞行器高性能螺旋桨设计

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 研究背景

全球航空业的飞速发展，越来越多的航空制造商和运营商将目光聚焦于航空节能、环保及可持续性，动力系统革新尤为受关注。在众多创新概念中，分布式电推进系统技术展现出了较为明显的发展潜力，其被认为能够极大地降低燃油消耗和各类排放，并被视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民用绿色航空解决方案，已经成为美俄等国航空技术战略发展的主要方向之一。

与常规飞行器相比较，分布式电推进飞行器全机性能主要由分布式动力系统与机翼之间的耦合特性所决定，因此其气动设计问题已由传统机翼的干净外形设计问题转变为分布式动力与机翼强耦合下的最优特性设计问题，这对分布式电推进飞行器的动力系统和机翼等均提出了不同的要求。如美国X-57全电飞机所采用的分布式螺旋桨就与传统螺旋桨不同，它是作为一种特殊的增升装置，以改善飞机滑跑起降状态下的升力特性为目标进行设计，被称为“高升力螺旋桨”。因此，需要进一步结合分布式电推进飞行器发展，探讨新型高性能动力单元和分布式动力系统的设计思想和设计方法，为下一步开展创新性研究提供建议和指引。

图1 X-57分布式电推进飞行器

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  主要内容

以类X-57分布式电推进飞行器为研究对象，脱离了传统螺旋桨仅仅追求高推进效率的思路，提出并发展了以单位能量下获得螺旋桨/机翼综合气动效率最优为目标的高性能螺旋桨优化设计思路和方法。

文章首先对模拟螺旋桨旋转运动的数值方法进行介绍和算例验证，包括多重参考坐标系方法、面源法和叶素动量理论方法3种，保证螺旋桨数值模拟和数值设计的准确性和可靠性。其次，对所发展的如下图所示高性能螺旋桨优化设计方法框架和设计步骤进行介绍和分析，设计过程主要包括螺旋桨桨叶气动载荷分布获取，螺旋桨桨叶气动载荷分布优化设计，以及任意环量分布下的高性能螺旋桨桨叶快速反设计。

图2 分布式电推进飞行器高性能螺旋桨混合设计

流程框架

之后，如下图所示，以某最小诱导损失螺旋桨作为基准，通过等拉力约束条件下的螺旋桨气动载荷分布优化，获得益于下游机翼升阻特性的气动载荷分布结果，然后以此为目标，反设计得到不同几何尺寸约束下的新型高性能螺旋桨。

（a）拉力分布 

 （b）扭矩分布

图3 设计前后螺旋桨桨叶径向气动载荷分布对比

 图4 最小诱导损失螺旋桨

（a）c_max=0.6R

（b）c_max=0.5R

（c）c_max=0.4R

图5 不同几何尺寸约束下的新型高性能螺旋桨

最后，如下图所示，通过对优化设计前后螺旋桨/机翼耦合下的气动特性进行高精度数值仿真和对比分析，验证了在不采用任何增升减阻装置的情况下，可以通过本文高性能螺旋桨设计优化思路和方法获得较为可观的气动增益。

（a） 最小诱导损失螺旋桨

（b）高性能螺旋桨

图6 设计前后螺旋桨/机翼耦合下湍流强度分布对比

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 团队介绍

王科雷，助理研究员。魅影团队核心成员，长期致力于特种布局无人机、太阳能无人机、新概念垂直起降无人机、仿生无人机等飞行器的总体设计、气动布局设计技术研究。

周洲，教授，博导，长江学者。魅影团队队长，长期致力于基础性、前沿性、探索性研究，并注重前沿技术在工程实际中的应用和发展，主持和参加国防基础研究、国家自然科学基金、航空科学研究基金、国防重点基金、国家863项目、国防预先研究、国防关键技术演示验证和国家重点型号关键技术攻关等项目30多项。获得国家科技进步一等奖2项、国防科技进步一等奖2项、部级科技进步二等奖3项、三等奖1项。获得国家发明专利50余项，发表学术论文400多篇。

 

文章来源：航空学报CJA