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 研究背景

全球航空業的飛速發展，越來越多的航空制造商和運營商將目光聚焦于航空節能、環保及可持續性，動力系統革新尤為受關注。在眾多創新概念中，分布式電推進系統技術展現出了較為明顯的發展潛力，其被認為能夠極大地降低燃油消耗和各類排放，并被視為有潛力在2030年后投入使用的、極有前景的民用綠色航空解決方案，已經成為美俄等國航空技術戰略發展的主要方向之一。

與常規飛行器相比較，分布式電推進飛行器全機性能主要由分布式動力系統與機翼之間的耦合特性所決定，因此其氣動設計問題已由傳統機翼的干凈外形設計問題轉變為分布式動力與機翼強耦合下的最優特性設計問題，這對分布式電推進飛行器的動力系統和機翼等均提出了不同的要求。如美國X-57全電飛機所采用的分布式螺旋槳就與傳統螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機滑跑起降狀態下的升力特性為目標進行設計，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進一步結合分布式電推進飛行器發展，探討新型高性能動力單元和分布式動力系統的設計思想和設計方法，為下一步開展創新性研究提供建議和指引。

圖1 X-57分布式電推進飛行器

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  主要內容

以類X-57分布式電推進飛行器為研究對象，脫離了傳統螺旋槳僅僅追求高推進效率的思路，提出并發展了以單位能量下獲得螺旋槳/機翼綜合氣動效率最優為目標的高性能螺旋槳優化設計思路和方法。

文章首先對模擬螺旋槳旋轉運動的數值方法進行介紹和算例驗證，包括多重參考坐標系方法、面源法和葉素動量理論方法3種，保證螺旋槳數值模擬和數值設計的準確性和可靠性。其次，對所發展的如下圖所示高性能螺旋槳優化設計方法框架和設計步驟進行介紹和分析，設計過程主要包括螺旋槳槳葉氣動載荷分布獲取，螺旋槳槳葉氣動載荷分布優化設計，以及任意環量分布下的高性能螺旋槳槳葉快速反設計。

圖2 分布式電推進飛行器高性能螺旋槳混合設計

流程框架

之后，如下圖所示，以某最小誘導損失螺旋槳作為基準，通過等拉力約束條件下的螺旋槳氣動載荷分布優化，獲得益于下游機翼升阻特性的氣動載荷分布結果，然后以此為目標，反設計得到不同幾何尺寸約束下的新型高性能螺旋槳。

（a）拉力分布 

 （b）扭矩分布

圖3 設計前后螺旋槳槳葉徑向氣動載荷分布對比

 圖4 最小誘導損失螺旋槳

（a）c_max=0.6R

（b）c_max=0.5R

（c）c_max=0.4R

圖5 不同幾何尺寸約束下的新型高性能螺旋槳

最后，如下圖所示，通過對優化設計前后螺旋槳/機翼耦合下的氣動特性進行高精度數值仿真和對比分析，驗證了在不采用任何增升減阻裝置的情況下，可以通過本文高性能螺旋槳設計優化思路和方法獲得較為可觀的氣動增益。

（a） 最小誘導損失螺旋槳

（b）高性能螺旋槳

圖6 設計前后螺旋槳/機翼耦合下湍流強度分布對比

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 團隊介紹

王科雷，助理研究員。魅影團隊核心成員，長期致力于特種布局無人機、太陽能無人機、新概念垂直起降無人機、仿生無人機等飛行器的總體設計、氣動布局設計技術研究。

周洲，教授，博導，長江學者。魅影團隊隊長，長期致力于基礎性、前沿性、探索性研究，并注重前沿技術在工程實際中的應用和發展，主持和參加國防基礎研究、國家自然科學基金、航空科學研究基金、國防重點基金、國家863項目、國防預先研究、國防關鍵技術演示驗證和國家重點型號關鍵技術攻關等項目30多項。獲得國家科技進步一等獎2項、國防科技進步一等獎2項、部級科技進步二等獎3項、三等獎1項。獲得國家發明專利50余項，發表學術論文400多篇。

 

文章來源：航空學報CJA