旋翼式火星无人机技术发展综述

火星表面稀薄的大气环境为旋翼式无人机在火星低空飞行提供了必要的条件。概述了火星无人机的研究背景、飞行环境与研制难点；整理了世界范围内各研究机构研制的旋翼式火星无人机的技术特点；梳理旋翼式火星无人机研究在气动特性理论、低气压飞行控制、系统集成等方面的关键技术；总结旋翼式火星无人机的仿真研究与实验研究成果；对火星无人机未来的发展趋势进行展望。     

共轴刚性旋翼气动外形优化设计

采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力,然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此,本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计,通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS(Reynold-saveraged Navier-Stokes,RANS)方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟,在此基础上建立了代理模型结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)的高效共轴旋翼气动布局优化方法,以前飞升阻比为目标函数进行优化,得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升(前进比为0.6状态下升阻比提升约30%),证明了优化的有效性。     

共轴刚性旋翼流场测量试验研究

利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)试验技术,开展了共轴刚性旋翼桨尖涡尾迹以及桨叶周围流场的测量试验,获得了单/双旋翼桨尖涡的运动轨迹以及桨尖诱导速度分布,研究了旋翼前进比对尾迹边界倾斜角的影响规律,进行了大前进比下强径向流对桨叶周围流场的影响机理研究。结果表明:强径向流具有增强气流附着性、减缓气流分离以及延迟失速的特性,前进比μ=0.64比μ=0.53后缘分离点延迟了约18%;后行侧反流区前进比越大反流强度越强;悬停状态双/上旋翼涡收缩性最快,单旋翼尾迹涡收缩性次之,下旋翼尾迹涡收缩性最慢。测量结果合理可信,为开展旋翼流动机理理论研究及提高CFD分析精度奠定了基础。     

升力偏置对ABC旋翼气动性能的影响

采用共轴刚性旋翼的高速直升机是未来旋翼飞行器的发展方向之一,其本质特点即前行侧桨叶会产生升力偏置。为了研究旋翼升力偏置量对刚性旋翼性能的影响,采用自由尾迹方法对采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的刚性旋翼在不同升力偏置状态下的气动特性进行了计算。通过对计算结果的分析,得到旋翼升力分布、升阻比、阻力特性和功率特性等随升力偏置的变化规律。文中还对前进比μ=0.2,0.4,0.5的计算结果进行了对比分析。结果表明,旋翼升力偏置量的改变能够显著改变旋翼桨盘的升力分布,进而对旋翼气动性能产生重要影响。不同的前进比下,产生旋翼最大前飞升阻比的升力偏置量也会有所不同,μ=0.2时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为20%左右;μ=0.4时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为25%左右,μ=0.5时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为30%左右。     

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力，在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案，之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%，弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。     

变转速刚性旋翼性能与载荷风洞试验

为研究转速变化对旋翼性能与振动载荷的影响，研制了一副无铰式刚性缩比模型旋翼，开展动力学和马赫数相似的悬停试验与风洞试验。试验研究不同旋翼拉力和吹风速度时变旋翼转速对配平、性能、桨叶与拉杆载荷、桨毂载荷等多个方面的影响，以性能和交变载荷的重复性与周期性证明试验结果是可信的。结果表明：降转速可降低旋翼悬停和前飞状态的需用功率，且拉力越低效果越明显；降转速对桨毂振动载荷影响不明显，但增加了配平所需的周期变距操纵，会增加桨叶与变距拉杆的旋翼转速频率振动载荷，对旋转部件疲劳寿命不利；变旋翼转速应避开旋翼固有频率，防止因共振而导致交变载荷增大。     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题，提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性，建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型；设计混合多目标优化性能指标评价函数，有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性，并减少舵面耗能；采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵，提高控制面操纵效率，加快优化搜索速度，快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配，保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时，通过多目标控制分配策略，飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器，降低系统设计难度，提高安全性。