单倾转旋翼的气动多目标优化设计

【作者】 曾丽芳； 潘定一； 邵雪明； 陈光炯；

【机构】 浙江大学航空航天学院； 中国航发湖南动力机械研究所；

【摘要】 单倾转旋翼(Mono Tiltrotor,MTR)是一种复合型旋翼飞行器,2007年由美国的Douglas Baldwin提出,Baldwin科技公司随即与马里兰大学合作研发了第一架MTR样机及多款应用机型。MTR的设计概念结合了可倾转的共轴双旋翼系统与可折叠的机翼系统:巡航状态下,共轴双旋翼往前倾转,作为推进螺旋桨产生向前的拉力,升力由机翼产生;垂直爬升与悬停状态下,机翼折叠,共轴双旋翼系统往垂直于水平面方向倾转,并作为主要的升力面。MTR既具备涡桨飞机的长航时特性,又具备共轴双旋翼直升机的大载荷性能,因此MTR具有广泛的应用前景与研究价值。本文以MTR的可倾转共轴双旋翼系统为研究对象,结合高效的气动建模方法与优化算法,开展MTR在悬停与巡航两个典型状态下的气动多目标优化设计。气动建模方法采用共轴双旋翼的动量叶素理论,并考虑上下旋翼之间的气动干扰、双旋翼之间的扭矩平衡、以及整个旋翼系统的拉力配平。共轴双旋翼系统的动量叶素建模方法计算效率非常快,每个算例耗时1～2分钟,本文计算结果首先通过与实验数据对比得到有效验证。本文的优化设计以MTR悬停状态下的效率(FM)与前飞巡航状态下的推进效率(η)为目标函数,以旋翼平面外形(展弦比、梢根比)、旋翼的负扭角、上下旋翼之间的间距为优化设计参数,结合非支配排序遗传算法(NSGA-II)开展MTR共轴双旋翼系统的气动多目标优化设计。经过优化,最终得到FM与η的Pareto Front。整个优化工作耗时短,且达到较好的优化效果,结果表明:优化后的共轴倾转双旋翼系统,悬停效率提高7.3%,巡航推进效率提升13.4%。本文的气动优化研究可为我国开展新型单倾转旋翼机研制提供理论研究方法与设计参考依据,为单倾转旋翼机推广应用于国民生产与国防建设奠定基础。更多还原