[發(fā)明專利]一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111399301.2
• 申請(qǐng)日: 2021-11-19
• 公開（公告）號(hào): CN114297770A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 裴家濤;黃曉龍;李康偉;周子鳴;張達(dá);張華君;劉青;許鎧通
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北航天飛行器研究所
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F119/14
• 代理公司: 武漢智匯為專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42235
• 代理人: 李恭渝

1.一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：明確電動(dòng)無人機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)要求，包括設(shè)計(jì)高度H、需用拉力T_design、巡航速度V、巡航效率η和尺寸約束；

S2：確定旋翼設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速ω及設(shè)計(jì)直徑D；

S3：確定翼型配置；

S4：確定弦長b(x)分布；

采用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的方法初步確定弦長分布b(x)；

S5：確定扭轉(zhuǎn)β(x)分布；

利用動(dòng)量理論，只考慮軸向誘導(dǎo)速度，初步確定誘導(dǎo)速度v_d分布，根據(jù)葉素速度多邊形，計(jì)算出旋翼的懸停的來流角根據(jù)已配置的翼型，結(jié)合工作雷諾數(shù)Re和馬赫數(shù)Ma，經(jīng)XFoil確定出每個(gè)葉素剖面的最優(yōu)設(shè)計(jì)迎角α_opt，根據(jù)葉素速度多邊形，可得到葉素剖面的安裝角β(x)分布；

S6：旋翼性能的評(píng)估；

依據(jù)片條理論對(duì)旋翼進(jìn)行建模分析，根據(jù)葉素速度多邊形、環(huán)量理論和徑向動(dòng)量理論，迭代得到誘導(dǎo)速度的分布，對(duì)整個(gè)槳葉段積分可得到翼型升力系數(shù)C_T及功率系數(shù)C_P，然后可得到旋翼的拉力T和功率P；

S7：判斷計(jì)算拉力T與設(shè)計(jì)需用拉力T_design關(guān)系；

當(dāng)計(jì)算拉力T大于設(shè)計(jì)需用拉力T_design時(shí)，初步滿足設(shè)計(jì)要求，執(zhí)行下一步，反之，可改變?cè)O(shè)計(jì)直徑、翼型配置或其他設(shè)計(jì)參數(shù)，繼續(xù)執(zhí)行步驟S2及后續(xù)步驟；

S8：計(jì)算旋翼力效；

根據(jù)懸停所需的功率P及計(jì)算拉力T，可計(jì)算出懸停旋翼力效η；

判斷旋翼力效是否滿足設(shè)計(jì)需用力效，若滿足，則此旋翼設(shè)計(jì)初步方案滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足，繼續(xù)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，繼續(xù)執(zhí)行步驟S2及后續(xù)步驟。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S2中，旋翼設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速ω與設(shè)計(jì)直徑D的確定用槳尖速度V_tip來表征，設(shè)計(jì)的槳尖速度不大于0.75馬赫，即：

式中：a為當(dāng)?shù)氐囊羲佟?/p>

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S3中，翼型配置采用三段翼型，槳葉半徑為R，在槳根0.2R～0.5R處將采用厚翼型；在內(nèi)段0.5R～0.75R將采用高升力翼型；在槳根0.75R～R將采用薄翼型。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S4中，槳葉弦長沿著半徑方向呈先增加后降低形式，根據(jù)相對(duì)弦長大小，分成窄、中和寬三種槳葉，根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，分別得到窄、中和寬槳葉的相對(duì)弦長分布如下：

式中：x為槳葉位置的無量綱化量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S5中，確定扭轉(zhuǎn)β(x)分布的具體方法為：

利用動(dòng)量理論，只考慮軸向誘導(dǎo)速度，初步確定誘導(dǎo)速度v_d分布：

式中：ρ為空氣密度；

根據(jù)葉素速度多邊形，計(jì)算出旋翼的懸停來流角

取微小來流角修正τ；當(dāng)每個(gè)葉素剖面的迎角是翼型升阻比最大時(shí)，整個(gè)槳葉的能量損失最小，力效η最大，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，根據(jù)已配置的翼型，結(jié)合工作雷諾數(shù)Re和馬赫數(shù)Ma，經(jīng)XFoil確定出每個(gè)葉素剖面的最優(yōu)設(shè)計(jì)迎角α_opt，根據(jù)葉素速度多邊形，可得到葉素剖面的安裝角β(x)分布為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)無人機(jī)旋翼的快速設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟S6中，旋翼性能的評(píng)估具體為：

依據(jù)片條理論對(duì)旋翼進(jìn)行建模分析，根據(jù)葉素速度多邊形，葉素合速度V_E：

依據(jù)環(huán)量理論，葉素環(huán)量與弦長b、翼型升力系數(shù)C_L和合速度V_E之間的關(guān)系：

依據(jù)旋翼徑向動(dòng)量理論，并考慮槳尖損失，引入Prandtl修正因子F，可得到徑向誘導(dǎo)速度w_t：

式中：B為槳葉片數(shù)，為槳尖安裝角，r為槳葉位置；

根據(jù)葉素速度多邊形，可得到來流角徑向誘導(dǎo)速度w_t和垂向誘導(dǎo)速度w_a之間的關(guān)系如下：

由以上各式迭代可以得到誘導(dǎo)速度的分布，對(duì)整個(gè)槳葉段積分可得到旋翼拉力系數(shù)C_T、功率系數(shù)C_P計(jì)算式如下：

式中：x_h為槳轂位置，x_T為槳尖位置，σ為槳葉實(shí)度；

可得到旋翼的拉力T和功率P為：

式中：ρ為空氣密度。