混合動力通勤飛機推進系統氣動布局研究

摘 要：使用VSPAERO氣動分析模塊，以X-57機翼作為算例，對螺旋槳滑流氣動特性進行計算，將氣動分析結果與文獻中的CFD分析數據進行對比，驗證軟件的精度和可靠性。將其應用于19座通勤類飛機，分別對1—3對電機+槳3種氣動布局方案參數化建模，調整螺旋槳的位置、尺寸及性能參數，快速分析飛機以巡航馬赫數飛行在不同迎角下的升阻特性。結果表明：3種方案中六槳方案最優，此方案能顯著降低全機誘導阻力，使總升阻比較雙槳可提高14.8%，相對于四槳可提高31.9%。

關鍵詞：通勤飛機；油電混動；分布式推進；VSPAERO；多槳配裝

中圖分類號：V228.5文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0219-04

Researchon Aerodynamic Layout of Propulsion System for Hybrid Electric Commuter Airplane

Abstract：The VSPAERO aerodynamic analysis module is used to calculate the aerodynamic characteristics of propeller slipstream taking X-57 wing as an example. The aerodynamic analysis results are compared with the CFD analysis data in the literature to verify the accuracy and reliability of the software. With the application of the software to 19 commuter aircrafts， and the parametric modeling of three aerodynamic layouts of 1 to 3 pairs of motors + proepellers is carried out respectively. The position parameters， size parameters and performance parameters of propellers are adjusted， and the lift and drag characteristics of aircrafts flying at different angles of attack at cruise Mach number are analyzed. The results show that the six-propeller aerodynamic layout is the best of the three schemes， which can significantly reduce the induced resistance of the whole aircraft， with 14.8% increase of the total lift drag compared with two propellers and 31.9% increase compared with four propellers.

Keywords：commuter aircraft；gasoline-electric hybrid；distributed propulsion；VSPAERO；multi-propeller assembly

0 引言

在混動通勤飛機概念設計階段，需要通過分析螺旋槳滑流與機體的相互作用來確定全機升阻特性，進而指導推進系統的氣動布局設計。對螺旋槳滑流影響的全機氣動分析仍較多采用基于N-S方程的CFD數值模型。斯坦福大學CLARKE等［1］利用SUAVE保真氣動模塊，研究了3種不同推進氣動布局的螺旋槳飛機，包括兩種分布式電推進結構和雙螺旋槳布局，用于分析螺旋槳、轉子、升力面及其相互作用。WALES等［2］分別采用激勵盤和URANS模型對雙發通勤飛機螺旋槳計算，并與Clean-Sky2項目中的風洞實驗數據對比，具有很好的擬合效果。李博等［3］應用激勵盤模型對某四發渦槳飛機的全機三維流場進行了數值模擬，分析了螺旋槳滑流對全機流場特征的影響，給出了滑流對全機升阻力系數的影響量。楊溢［4］依據激勵盤理論簡化實際螺旋槳構型，改變激勵盤的徑向載荷分布形式，模擬了螺旋槳滑流對飛機氣動特性的影響。栗樞等［5］對比分析了不同轉速-速度匹配下螺旋槳表面積冰對氣動的影響。

目前，對混合動力飛機氣動布局設計主要對象是2—4座的輕小型飛機， 尚未開展對支線和干線混合飛機推進系統氣動布局選型的研究。基于此背景，對19座混合動力通勤飛機，多種不同數量、不同安裝位置的螺旋槳氣動布局進行分析，從中選取較優的氣動布局設計。目前更適用于概念設計階段的氣動布局設計方法是將渦格法和激勵盤方法相結合，能快速和較準確地分析螺旋槳飛機氣動特性。本文使用的VSPAERO是由美國宇航局開發的概念飛機設計工具OpenVSP［6-7］中用于氣動分析的模塊，基于其快速建模和氣動分析能力，首先通過算例驗證了VSPAERO氣動模塊的計算精度，然后對19座油電混動通勤飛機進行了多槳配置氣動布局研究。

1 混合動力通勤飛機OpenVSP建模

OpenVSP集成了飛機常見的部件，如機身、機翼、動力裝置、短艙等部件。在EXCEL表里定義飛機各部件的參數信息。通過VBA語言將參數信息寫入到VSPScript腳本中，調用OpenVSP軟件完成氣動建模和分析計算。混合動力通勤飛機的主要外形參數參考我國19座級固定翼通勤類飛機的運12E飛機。將安裝在機翼吊艙的PT6A-27的兩對渦槳發動機，減掉一臺發動機并將另一臺發動機與機身做成一體化，減少的發動機功率由電機驅動螺旋槳提供，減少的燃油替換為電池，驅動螺旋槳的能量由飛機燃油和電池共同提供。如圖1所示，應用渦格法+激勵盤理論方法分別對1—3對電機+槳葉氣動布局方案進行快速估算。根據各方案的升阻特性，選擇合適的能源改型氣動方案。

根據推進系統產生的功率P和槳盤產生的拉力T及螺旋槳直徑D、螺旋槳轉速N可以計算出螺旋槳的拉力系數CT和功率系數Cp，如下所示。

將雙發渦槳動力方案改為由單發油電混動，通過發動機需求功率和推力，得出匹配螺旋槳直徑和轉速等參數信息，如表1所示。

2 VSPAERO算例驗證

驗證的算例構型為螺旋槳+機翼的氣動構型，螺旋槳是X-57［8］的高升力螺旋槳，機翼為矩形翼，翼型采用X-57機翼的翼根翼型，如圖2所示，其參數如表2所示。

VSPAERO模塊計算輸出Polar文件中沒有考慮到激勵盤推力分量，應根據式（3）—式（7）將推力進行分解，添加到機翼的力和力矩中，以獲得總的力和力矩。

Ltotal=Lwing+Tsinα（3）

Ditotal=Diwing－Tcosα（4）

Mxtotal=Mxwing+Mxprop（5）

Mytotal=Mywing+T（zwing－zprop）（6）

Mztotal=Mzwing+T（yprop－ywing）（7）

式中：T為螺旋槳產生的拉力；α為機翼攻角；Ltotal、Ditotal分別為計入螺旋槳拉力的總升力和總誘導阻力；Mxtotal、Mytotal、Mztotal分別為對應坐標軸產生的合力矩。

圖3為算例構型考慮螺旋槳推力分解下的總升力、總誘導阻力對坐標軸總力矩大小與CFD高精度數值軟件計算結果對比圖。計算出的升力和誘導阻力與CFD的數據［9］具有較好的吻合性且趨勢一致，但從力矩結果上看，雖然兩者的數值大小在同一數量級，但是由于激勵盤理論基于無黏和無旋假設，計算結果出現一定的誤差，但是計算速度卻顯著提高，對于估算升阻特性具有很好的參考意義。

3 混動通勤類飛機氣動布局研究

3.1 氣動改型方案滑流計算

分別對雙槳、四槳、六槳3種氣動布局進行分析，通過修改槳盤直徑、旋轉速度、功率系數、拉力系數、螺旋槳和吊艙展向占位參數、螺旋槳轉向（同翼根到翼梢旋轉方向）完成氣動外型建模并與對應的3種無滑流（無激勵盤）情況進行對比，計算結果如圖4所示。從升力系數來看，雙螺旋槳和六螺旋槳較無激勵盤模型有一定增加，且六螺旋槳升力系數較雙螺旋槳隨著迎角而逐漸增大，但是對于四螺旋槳布局，在0°～4°迎角下，升力系數相比無激勵盤有一定提升，但在4°攻角之后，升力系數反而小于無激勵盤模型。

從計算結果來看，由于螺旋槳滑流影響，相比無激勵盤模型對誘導阻力有明顯抑制作用，且誘導阻力隨螺旋槳數量增加，出現數值不斷降低的趨勢。對于全機升阻比，3種氣動布局均較無激勵盤有顯著提高，在小攻角（2°迎角）下，3種布局方案升阻比相差不大。隨著迎角增加，在4°迎角之后，四槳氣動布局的升阻比明顯小于其他兩種布局方案，而對于雙槳和六槳氣動布局，六槳方案升阻比要高于雙槳方案。

圖5為3種氣動布局沿展向 CL分布圖和 α=0°時上下表面壓強系數差分布云圖和尾跡流線圖。圖中反映了在機翼螺旋槳兩側升力系數會突變增大，同時由于滑流效應改變氣流尾跡并隨著螺旋槳數量增加，滑流效應逐漸對飛機尾翼部件產生影響，改變氣動升阻特性，造成誘導阻力減小，升阻比進一步增加，而升力系數受到槳葉數量和轉向的影響。本文研究的3種氣動布局中螺旋槳轉向均是以飛行員視角向機翼外側旋轉 ，可以看出在此轉向下六槳氣動布局升阻比優于其他兩種方案，其升阻比較雙槳可提高14.8%，相對于四槳可提高31.9%。由于四槳方案明顯劣于其他兩種方案，故不進一步研究。在下文中將對六槳布局方案，探討其轉向組合對氣動產生的影響。

3.2 六槳轉向組合氣動分析

不同螺旋槳轉向的組合方式，會影響多組螺旋槳總的升力效應。以六螺旋槳為例，分析其以2°迎角巡航時的升阻特性。以→表示飛行員視角右側機翼螺旋槳順時針旋轉方向，以←表示螺旋槳逆時針旋轉方向，如表3所示，分析轉向構型1—構型8升力系數沿機翼展向分布情況。

圖6為8種不同螺旋槳轉向組合升力系數沿翼展方向分布圖。從圖示曲線分布規律可以看出，升力系數在螺旋槳布置位置處發生突變，不同的轉向組合會影響總的升力特性，如構型1和構型2組合，會對提高升力系數起到增益效果，而其他轉向組合如構型6和構型8反而會降低升力系數。

4 結語

本文對19座級固定翼通勤類飛機3種推進系統氣動布局進行研究，得出以下結論：

1）使用VSPAERO對X-57機翼升力、阻力和力矩與文獻中CFD數據進行驗證對比，兩者數據具有很好的吻合性；

2）通過分析19座通勤類飛機3種布局方案及無螺旋槳構型，滑流效應能顯著降低誘導阻力，提高全機升阻比；

3）從升阻特性看，六槳分布式方案優于其他兩種布局方案，其升阻比較雙槳可提高14.8%，相對于四槳可提高31.9%；

4）六槳轉向構型不同的螺旋槳轉向組合方式，會影響多組螺旋槳總的升力和阻力效應，8種構型中構型1氣動性能最優。

參考文獻：

［1］ CLARKE M A，ERHARD R M，SMART J T，et al. Aerodynamic optimization of wing-mounted propeller configurations for distributed electric propulsion architectures［C］//AIAA Aviation 2021 Forum. Virtual Event. Reston，Virginia：AIAA，2021：2471.

［2］ WALES C，JONES D，GAITONDE A，et al. Comparison of aircraft loads using URANS and actuator disk modelling of propellers［C］//AIAA Aviation 2022 Forum. Chicago，IL amp; Virtual. Reston，Virginia：AIAA，2022：3684.

［3］ 李博，梁德旺，黃國平. 基于等效盤模型的滑流對渦槳飛機氣動性能的影響［J］. 航空學報，2008，29（4）：845-852.

［4］ 楊溢. 基于激勵盤理論的螺旋槳飛機氣動特性快速分析方法［D］. 南京：南京航空航天大學，2018.

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［8］ VIKEN J K，VIKEN S，DEERE K A，et al. Design of the cruise and flap airfoil for the X-57 maxwell distributed electric propulsion aircraft［C］//35th AIAA Applied Aerodynamics Conference. Denver，Colorado. Reston，Virginia：AIAA，2017：3922.

［9］ SHERIDAN C N，PHAM D D，WHITESIDE S. Evaluation of VSPAERO analysis capabilities for conceptual design of aircraft with propeller-blown wings［C］//Proceedings of the AIAA Aviation 2021 Forum Virtual Event Reston，Virginia：AIAA，2021：2510.