智能螺旋桨发展现状及其在临近空间飞行器中的应用

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1、第4卷第4期2013年11月航空工程进展ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGV01．4NO．4NOV．2013文章编号：16748190(2013)04—391～08智能螺旋桨发展现状及其在临近空间飞行器中的应用宋笔锋，安伟刚(西北工业大学航空学院，西安710072)摘要：提高推进系统的效率对实现浮空器在临近空间长期悬停意义重大，对国外最新的有关螺旋桨(含旋翼)基于自适应结构变形的重大研究计划和原理进行了深入地分析，旨在找出能突破目前临近空间螺旋

2、桨因设计变量少而导致其效率和工况适应性难于大幅度提高的困境的方法。研究表明，这一困境有望通过自适应结构变形的方式得以解决。关键词：智能螺旋桨；临近空间飞行器l自适应结构；效率；工况适应性中图分类号：V228文献标识码：A0引言SurveyonSmartPropellerandItsApplicationsinNear—spacePropellerVehicleSongBifeng．AnWeigang(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUni

3、versity，Xi’an710072，China)在20km以上能够长期定点悬停的浮空器，可以对地面目标进行长期的凝视观测，其信息获取能力是卫星和信息飞机所不能替代的。因此，国内外开展了很多研发临近空间浮空器的相关计划uJ。临近空间浮空器研发的关键技术之一是高效率的推进系统，其产生的推力主要用于抗风，以保收稿日期：20130527；修回日期：20131018通信作者：宋笔锋，bfsong@nwpu．edu．cn持浮空器的长期定点。但是，由于浮空器采用太阳能作为能源，而目前太阳能电池的效率较低，

4、因此提高推进系统的效率对实现浮空器在临近空间长期悬停具有重大的意义。传统的螺旋桨效率主要取决于桨径、扭转角分布和桨型，其中桨径的影响最为显著。但是，由于安装尺寸和结构重量等限制，桨径不可能无限制增大(例如，国内目前多数方案要求桨径在10m以内，国外有的方案桨径可达40m)。扭转角的合理分布及高性能的桨型对提高效率都有贡献，但其贡献与增大桨径相比是有限的。因此，如何在现有技术基础之上进一步大幅度提高效率显得非常关键。笺釜～ynah嶂卜g一一～一哳一蚴；a美O业_堇“幻_委=差

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7、；m垤∞∞曲如一～～一一～一～【至=耋一一曲咖‰一一叱姐矿№岬唧诎州_蚕～一一～一～一～～航夺f程进展第4卷从空气动力学的角度看，最有可能提高螺旋桨效率的技术之一是喷流控制。但是该技术的效果和技术成熟度仍需要进一步研究。本文的出发点是探索自适应变形结构(本文称其为智能螺旋桨)在提高螺旋桨效率方面的价值，试图通过在气动变

8、量的基础上，增加结构设计变量，探索一种新的大幅度提高效率的方法。国外重大研究计划国内外20km以下的飞行器，在螺旋桨和旋翼方面都有一些研究成果，特别是美国和欧洲，有许多重大研究计划。国外在自适应结构机翼方面的研究计划更多，由于篇幅所限，不再赘述，但其研究成果可以为本文所研究的临近空问螺旋桨所借鉴。1．1自适应旋翼研究计划自阿富汗和伊拉克战争以来．美军认识到提高直升机的性能迫在眉睫。为此，美国国防部预先研究计划局(DARPA)启动了MissionAdaptiveRo—tor(MAR)研究计划心。3

9、]，得到了美国海军和NASA的资金资助。该计划希望通过某种技术，能够使直升机的载荷提高30％～40％，噪声降低50％，振动降低90％。该计划的研究目的包括：发展一个变体桨叶的稳健设计方法，研究成熟的关键技术．通过仿真、地面模拟、试飞试验验证变体桨叶在军事方面的实用价值，为下一代美国军用直升机进行技术储备。该计划将研究实现上述目标的各种可能方法，包括主动的改变旋翼系统的形状和特性。桨叶能够改变其直径、后掠角、弦长、桨尖形状、桨距角、刚度、转速等特性。该计划分为三个阶段，在第一阶段有三家公司受到资助

10、：波音公司362万美元，贝尔波音旋翼研究小组(BellBoeingTiltrotorTeam)286万美了己，西科斯基公司(Sikorsky)590万美元。波音公司设计的智能主动控制旋翼如图1所示，电压驱动器驱动桨叶副翼。同时．设计并加工出风洞实验模型，实验表明利用该技术降低了约80％的振动，在桨毂处有望完全消除振动。旋翼内部结构如图2所示。(a)转测试实验(b)风洞实验网1波音智能主动控制旋翼、／。≮＼j}．十门部驱功器5波音智能主动挎制旋填

11、』、J琊结构HstrLlCtklr(,Ofl{()