一種輕型旋翼的結構設計及優化

辜興悅 梁超

摘要：本文利用利用Profili軟件分析一種無人機輕型旋翼模型結構合理性，研究彎度、厚度、最大彎度位置、雷諾系數等四個參數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%，雷諾數保持在3000050000范圍類時，能使旋翼的升阻比能得到最大優化。

關鍵詞：輕型旋翼;氣動分析

旋翼是旋翼無人機最重要的部件，旋翼設計及制造的好壞將直接影響旋翼無人機的性能。相較于直升機的螺旋槳，無人機的旋翼結構更為簡單。旋翼槳葉的發展始終圍繞著兩個方面來改進，一是旋翼結構優化改進，二是新材料新工藝的使用。旋翼設計技術的發展趨勢和目的就是性能、操縱性、穩定性、生存力以及可靠性等越來越高，結構越來越簡單，維護越來越方便，使用壽命更長[1]。

由于直接影響無人機的飛行性能，所以旋翼的設計至關重要。本文以一種簡單的輕型旋翼為例，結合旋翼實物，對輕型無人機的旋翼結構設計進行了優化。

一、翼型的參數描述

參數描述如圖1所示：

二、結構優化計算

在profili V2軟件中點擊翼型，結合實物旋翼和CATIA建模過程最終選擇clarkY基礎翼型。其基礎翼型的參數如下圖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，選擇雷諾數為，繪制所改變參數的翼型的升阻比曲線以及俯仰力矩系數曲線如圖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，升阻比隨著彎度的增大而增大，最大升阻比在彎度為5%時，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，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不變，雷諾數也保持不變，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，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，其可用的攻角范圍窄小，剛干擾能力較弱。而且升力系數曲線在α=7°時就出現了明顯的下降趨勢，然后升力就持續減小，說明在此時翼型就出現了較為明顯的氣流分離現象。所以綜合上圖考慮，翼型的厚度只要在[0.1，0.15]范圍內，其升阻比就符合要求。當然升阻比最大的還是當厚度為10%弦長，僅僅通過改變厚度就有以一批性能優良的翼型族。

三、小結

通過上面的翼型分析，可以將初始的翼型參數分別調整，彎度調整為5%弦長，最大彎度位置可以保持不變，厚度的話可以調整為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：

[1]黃文俊，李滿福.直升機旋翼設計技術應用現狀及發展綜述[D].航空制造技術，2011.

[2]王暢.微型旋翼氣動特性分析方法與實驗研究[D].南京航空航天大學，2010.

作者簡介：辜興悅，女，助教，單位：中國民用航空飛行學院。