一種輕型旋翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

辜興悅 梁超

摘要：本文利用利用Profili軟件分析一種無人機(jī)輕型旋翼模型結(jié)構(gòu)合理性，研究彎度、厚度、最大彎度位置、雷諾系數(shù)等四個參數(shù)對旋翼升阻比的影響，得出彎度5%、最大彎度為旋翼40%處、厚度為弦長的11%，雷諾數(shù)保持在3000050000范圍類時(shí)，能使旋翼的升阻比能得到最大優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：輕型旋翼;氣動分析

旋翼是旋翼無人機(jī)最重要的部件，旋翼設(shè)計(jì)及制造的好壞將直接影響旋翼無人機(jī)的性能。相較于直升機(jī)的螺旋槳，無人機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)更為簡單。旋翼槳葉的發(fā)展始終圍繞著兩個方面來改進(jìn)，一是旋翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，二是新材料新工藝的使用。旋翼設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢和目的就是性能、操縱性、穩(wěn)定性、生存力以及可靠性等越來越高，結(jié)構(gòu)越來越簡單，維護(hù)越來越方便，使用壽命更長[1]。

由于直接影響無人機(jī)的飛行性能，所以旋翼的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文以一種簡單的輕型旋翼為例，結(jié)合旋翼實(shí)物，對輕型無人機(jī)的旋翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

一、翼型的參數(shù)描述

參數(shù)描述如圖1所示：

二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

在profili V2軟件中點(diǎn)擊翼型，結(jié)合實(shí)物旋翼和CATIA建模過程最終選擇clarkY基礎(chǔ)翼型。其基礎(chǔ)翼型的參數(shù)如下圖2所示。

（一）彎度對翼型性能的影響

僅僅改變彎度也就是profili中的最大曲面，不改變其在翼弦的位置，選擇雷諾數(shù)為，繪制所改變參數(shù)的翼型的升阻比曲線以及俯仰力矩系數(shù)曲線如圖3、圖4所示。

在圖3和圖4中則能看出，剛開始彎度低于5%弦長時(shí)，升阻比隨著彎度的增大而增大，最大升阻比在彎度為5%時(shí)，然后隨著彎度的增大而逐漸減小。而且在圖3中可以看出，俯仰力矩系數(shù)隨著彎度的增大，其絕對值越大。由此可以看出，在彎度為5%時(shí)，擁有最大的升阻比，其翼型的氣動性能最好。

（二）最大彎度位置對翼型性能的影響

上面提到的翼型的幾何參數(shù)不變，雷諾數(shù)也保持不變，取彎度為5%弦長，只改變其最大彎度位置，繪制曲線如圖5、圖6所示。

從圖5和6中可以看出升阻比是先增大后減小，最大值在60%處，而且俯仰力矩的絕對值也是不斷增大。按照最大升阻比的原則，在60%處是最佳位置，但是從上圖中也可以看出，60%處的升阻比曲線較為尖銳，說明其所處的攻角位置較為窄小，這不利于翼型的抗擾能力，俯仰力矩系數(shù)也比較大。所以綜合考慮來看，60%處并不是最合適的位置。

全面考慮來看，40%處的升阻比比較大且升阻比曲線比較平緩，有較大的攻角范圍，且俯仰力矩系數(shù)相對較小，所以40%弦長處的位置才是最合適的。

（三）厚度對翼型性能的影響

僅僅改變翼型厚度，取彎度為5%弦長，最大彎度位置為40%弦長處，其它參數(shù)不變，繪制曲線如圖7、圖8所示。

圖7和圖8表明，隨著厚度的增大，最大升阻比不斷減小，且俯仰力矩系數(shù)的絕對值也不斷較小，但是相較而言波動不大。同樣，按照升阻比最大原則，厚度為8%弦長時(shí)，升阻比最大，厚度最佳。但是從圖2.6可以明顯看出，在厚度為8%時(shí)，其可用的攻角范圍窄小，剛干擾能力較弱。而且升力系數(shù)曲線在α=7°時(shí)就出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，然后升力就持續(xù)減小，說明在此時(shí)翼型就出現(xiàn)了較為明顯的氣流分離現(xiàn)象。所以綜合上圖考慮，翼型的厚度只要在[0.1，0.15]范圍內(nèi)，其升阻比就符合要求。當(dāng)然升阻比最大的還是當(dāng)厚度為10%弦長，僅僅通過改變厚度就有以一批性能優(yōu)良的翼型族。

三、小結(jié)

通過上面的翼型分析，可以將初始的翼型參數(shù)分別調(diào)整，彎度調(diào)整為5%弦長，最大彎度位置可以保持不變，厚度的話可以調(diào)整為11%弦長，這樣有最大的升阻比，提高旋翼的氣動性能[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃文俊，李滿福.直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展綜述[D].航空制造技術(shù)，2011.

[2]王暢.微型旋翼氣動特性分析方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2010.

作者簡介：辜興悅，女，助教，單位：中國民用航空飛行學(xué)院。