一种轻型旋翼的结构设计及优化

辜兴悦 梁超

摘要：本文利用利用Profili软件分析一种无人机轻型旋翼模型结构合理性，研究弯度、厚度、最大弯度位置、雷诺系数等四个参数对旋翼升阻比的影响，得出弯度5%、最大弯度为旋翼40%处、厚度为弦长的11%，雷诺数保持在3000050000范围类时，能使旋翼的升阻比能得到最大优化。

关键词：轻型旋翼;气动分析

旋翼是旋翼无人机最重要的部件，旋翼设计及制造的好坏将直接影响旋翼无人机的性能。相较于直升机的螺旋桨，无人机的旋翼结构更为简单。旋翼桨叶的发展始终围绕着两个方面来改进，一是旋翼结构优化改进，二是新材料新工艺的使用。旋翼设计技术的发展趋势和目的就是性能、操纵性、稳定性、生存力以及可靠性等越来越高，结构越来越简单，维护越来越方便，使用寿命更长[1]。

由于直接影响无人机的飞行性能，所以旋翼的设计至关重要。本文以一种简单的轻型旋翼为例，结合旋翼实物，对轻型无人机的旋翼结构设计进行了优化。

一、翼型的参数描述

参数描述如图1所示：

二、结构优化计算

在profili V2软件中点击翼型，结合实物旋翼和CATIA建模过程最终选擇clarkY基础翼型。其基础翼型的参数如下图2所示。

（一）弯度对翼型性能的影响

仅仅改变弯度也就是profili中的最大曲面，不改变其在翼弦的位置，选择雷诺数为，绘制所改变参数的翼型的升阻比曲线以及俯仰力矩系数曲线如图3、图4所示。

在图3和图4中则能看出，刚开始弯度低于5%弦长时，升阻比随着弯度的增大而增大，最大升阻比在弯度为5%时，然后随着弯度的增大而逐渐减小。而且在图3中可以看出，俯仰力矩系数随着弯度的增大，其绝对值越大。由此可以看出，在弯度为5%时，拥有最大的升阻比，其翼型的气动性能最好。

（二）最大弯度位置对翼型性能的影响

上面提到的翼型的几何参数不变，雷诺数也保持不变，取弯度为5%弦长，只改变其最大弯度位置，绘制曲线如图5、图6所示。

从图5和6中可以看出升阻比是先增大后减小，最大值在60%处，而且俯仰力矩的绝对值也是不断增大。按照最大升阻比的原则，在60%处是最佳位置，但是从上图中也可以看出，60%处的升阻比曲线较为尖锐，说明其所处的攻角位置较为窄小，这不利于翼型的抗扰能力，俯仰力矩系数也比较大。所以综合考虑来看，60%处并不是最合适的位置。

全面考虑来看，40%处的升阻比比较大且升阻比曲线比较平缓，有较大的攻角范围，且俯仰力矩系数相对较小，所以40%弦长处的位置才是最合适的。

（三）厚度对翼型性能的影响

仅仅改变翼型厚度，取弯度为5%弦长，最大弯度位置为40%弦长处，其它参数不变，绘制曲线如图7、图8所示。

图7和图8表明，随着厚度的增大，最大升阻比不断减小，且俯仰力矩系数的绝对值也不断较小，但是相较而言波动不大。同样，按照升阻比最大原则，厚度为8%弦长时，升阻比最大，厚度最佳。但是从图2.6可以明显看出，在厚度为8%时，其可用的攻角范围窄小，刚干扰能力较弱。而且升力系数曲线在α=7°时就出现了明显的下降趋势，然后升力就持续减小，说明在此时翼型就出现了较为明显的气流分离现象。所以综合上图考虑，翼型的厚度只要在[0.1，0.15]范围内，其升阻比就符合要求。当然升阻比最大的还是当厚度为10%弦长，仅仅通过改变厚度就有以一批性能优良的翼型族。

三、小结

通过上面的翼型分析，可以将初始的翼型参数分别调整，弯度调整为5%弦长，最大弯度位置可以保持不变，厚度的话可以调整为11%弦长，这样有最大的升阻比，提高旋翼的气动性能[2]。

参考文献：

[1]黄文俊，李满福.直升机旋翼设计技术应用现状及发展综述[D].航空制造技术，2011.

[2]王畅.微型旋翼气动特性分析方法与实验研究[D].南京航空航天大学，2010.

作者简介：辜兴悦，女，助教，单位：中国民用航空飞行学院。