陈泊霖 闫鸣浩 刘芳芳 陈靖昊 范乃文 王东源

(中国民航大学 天津 300300)

1 绪论

1.1 研究背景与意义

随着科技的发展，目前无人机主要用于地理测绘、农业植保、能源检测、救援救灾等领域。常见的飞行器主要分为固定翼和多旋翼，实际应用过程中需要结合两类飞行器的优缺点而使用。

1.2 倾转旋翼飞行器

倾转旋翼飞行器是由旋翼飞行器与固定翼飞行器叠加组成的变体飞行器，其巡航能力强、飞行速度快、载重能力强、安全性能好。倾转旋翼飞行器主要由机身、旋翼、固定翼、平尾、垂尾、电机等几部分组成[1]。

飞行器部分功能介绍具体见表1。

1.3 倾转旋翼飞行器研究现状

倾转旋翼飞行器一般是指一种变结构的螺旋桨飞行器。美国贝尔公司研制的MV-22“鱼鹰”倾转旋翼机和商用倾转旋翼机BA609 是这类飞机的代表[2]。此外，在未来，需要为影响飞行安全的关键技术找到更好的解决方案。

1.4 主要研究内容

本文在研究倾转旋翼飞行器建模分析的基础上，结合适航要求开展总体方案设计、气动分析仿真等，实现倾转旋翼eVTOL飞行器的仿真运行。

2 倾转旋翼eVTOL飞行器的建模设计

2.1 建模方案确定

设计之初，对于飞行器的设计方案进行了分析与讨论。eVTOL 在概念上大致分成了3 种方案：垂直固定翼、倾转旋翼、倾转和固定缝合方案。项目将对倾转旋翼eVTOL 飞行器进行详细研究。本节将围绕倾转旋翼飞行器建模进行分析总结，如图1所示，确定最终方案。

图1 倾转旋翼飞行器建模方案的流程图

结合参考数据，该倾转旋翼飞行器总体外形参数设计如表2所示[3]。

表2 倾转旋翼eVTOL飞行器的总体外形参数设计

2.2 倾转旋翼飞行器零件设计

在螺旋桨设计方面，考虑飞行器起降时的形态变换，行驶时的平衡问题及续航能力，将螺旋桨定为6个高强度螺旋桨。经计算比对，螺旋桨直径达2.9 m，每个螺旋桨上拥有5片桨叶。

为使飞行器在空中悬停时有较好的稳定性，模型在螺旋桨上各设计了一个反面叶片。

该倾转旋翼飞行器机尖的倾转属于技术特点为了便于Fluent 的应用和仿真，由于在eVTOL 中间的两个螺旋桨不同于其他4 个，内侧两个螺旋桨属于单独的连杆结构。在设计仿真时要考虑不同控制单元，进而完成分离式仿真。

在eVTOL 当中，V 形尾翼相较其他型号尾翼有着较好的稳定性[4]。作为常用的固定尾翼结构形式，在飞行器操纵和稳定的配平上，V 形尾翼保证了飞行器的气动性能和操作性能。该项目最终确定选用V 形尾翼。

在设计尾翼时，考虑V形尾翼的两侧夹角，根据仿真反馈，为了保证eVTOL 有更好的稳定性，选取142°作为夹角，且根据查阅，在尾翼两侧安装上了两个螺旋桨结构，如图2所示。

图2 倾转旋翼飞行器尾翼总体结构示意图

在构建机翼模型时，要考虑整体比重。就机翼而言，为减轻重量，实际中选用复合材料。通过仿真结构，决定将机翼长由10.7 m 改为11.6 m。考虑后期计算，将机身和机翼的长度比减小。

在建模时需要将桨尖控制在了一定稳定区间，来解决桨尖下反角导致桨尖部分气流分流的问题。由于机翼上的4 个螺旋桨结构连杆的不同，在设计时进行了不同方式的装配[5]。

在机身结构设计方面，整体机身设计成流线型，结合机翼所得出的数据推算，将机身长度调整为7.3 m，降低了与机翼的比值。

2.3 倾转旋翼飞行器零件整合

该倾转旋翼飞行器在零件组装时克服了机翼垂直距离偏差。在机翼展长改动后，在进行零件拼装时解决了不同传动尺寸的偏差。为保证飞行器稳定性，选择前三角起落架型式。优化后的倾转旋翼飞行器三视图如图3所示。

图3 倾转旋翼飞行器三视图结构示意图

3 倾转旋翼eVTOL飞行器的气动分析

3.1 气动分析理论支撑

Fluent的基本方程（层流）如下。

连续方程：

动量方程：

能量方程：

3.2 气动分析方案

针对倾转旋翼飞行器在飞行过程涉及旋翼本身的变化以及旋转，首先，对建模结果分析具体模型，对飞行器自身的飞行状态进行分析，然后在SCDM 中进行几何模型修复。并进一步在此基础上进行外流场模型建立，来确定倾转旋翼飞行器的外流场区域。倾转旋翼无人机的旋翼和机翼、机身之间存在复杂的气动干扰，这种气动干扰高度非线性、非定常，在执行飞行任务时会对飞行器自身产生难以预测的气动载荷[6]。其次，在Fluent 中利用了重叠网格穿插技术来划分倾转旋翼飞行器的网格，并通过设定参数与边界条件来进一步获得流场数据结果。倾转旋翼的气动分析的流程图如图4所示。

图4 气动分析方案的流程图

3.3 倾转旋翼飞行器eVTOL的运动姿态与模型修复

在SCDM建立eVTOL飞行器计算仿真模型与流场分析之前，首先应对飞行器的旋翼的飞行姿态进行分析，这样才能更好地划分网格并且在此基础上进行气动分析，可以将飞行器的空中姿态分为悬停姿态与飞行姿态。由于主要针对分析倾转旋翼eVTOL的飞行状态的气动分析，将主要针对飞行姿态进行模拟分析。

3.3.1 倾转旋翼飞行器evtol的运动姿态

（1）飞行姿态。该阶段在倾转旋翼飞行器飞行达到一定的速度后，连接旋翼的旋翼轴可向前倾转呈90°，呈水平的状态，旋翼此时可作为倾转旋翼飞行器的拉力螺旋桨使用，此时倾转旋翼飞行器可作为固定翼飞行器的速度来进行远程飞行[7]。

（2）悬停姿态。当飞机进行垂直起降时，连接旋翼的旋翼轴垂直于地面，可以在空中实现悬停。在悬停时旋翼拉力在铅垂面的升力分量与全拉的飞行重力相平衡，并由自身的旋翼产生升力。

3.3.2 倾转旋翼eVTOL飞行器的模型修复

在倾转旋翼eVTOL 飞行器的模型修复过程中，简化与主要流场区域不相关的小特征进而可以减少网格总数量与避免出现网格质量较差的区域，主要针对模型在简化阶段进行封闭几何模型和去除锐角等处理操作。因为飞行器自身在导入scdm中部分为非实体，应通过封闭几何模型形成实体，后续再针对实体来进行划分网格。图5为该倾转旋翼飞行器在scdm中修复后的模型。

图5 倾转旋翼eVTOL飞行器的修复模型

3.4 建立倾转旋翼eVTOL飞行器的外流场模型

简化过后的实体模型为固体区域，通过固体区域来获取飞行器的流体区域，主要针对飞行器表面流场，这样可以完成后续的流体仿真过程。流体区域的获取本质上可以通过模型实体间的布尔运算操作来建立。

通过在飞行器外部建立一个大的计算域，限定计算域的范围，通过在倾转旋翼飞行器外表面生成面网格以及大计算域外表面生成面网格。在大计算域与飞行器模型表面之间生成体网格。因为该飞行器自身装配有六旋翼，所以可采取分开操作，进一步建立小的计算域来限定流场范围，在旋翼外表面生成面网格以及小计算域外表面生成面网格。在小计算域和旋翼表面之间生成体网格。

3.5 针对倾转旋翼eVTOL飞行器的网格划分

由于采用优化的重叠网格穿插技术，因此本项目通过划分计算域依次进行网格划分操作。考虑到倾转旋翼飞行器采取动网格的方法，把旋翼与倾转旋翼飞行器自身单独分析，这样可以基于飞行器飞行姿态的变化来设置出高质量不会引起发散的网格，并通过重叠网格穿插技术来划分网格。

首先基于飞行器机身最大的计算域进行网格划分，设定飞机机身的边界类型为壁面。飞行器的机身前方的计算域边界类型为入口，计算域剩余边界类型规定为出口。该边界类型划分与设定主要针对于包裹倾转旋翼飞行器机身的大计算域类型进行网格划分。由于考虑到飞行器自身的网格精度与后续采取重叠网格穿插技术，多面体网格最小精度为0.007，最大精度为0.14。倾转旋翼飞行器机身的网格划分如图6所示。

图6 倾转旋翼飞行器机身的网格划分

该倾转旋翼eVTOL 飞行器整体布局主要采取六旋翼双横向布局，前后机翼存在高度差，长度差的布局型式。分别单独设定包裹单独旋翼的小计算域进行网格划分，旋翼外表面的计算域的边界类型为入口，旋翼所在的计算域外边界的边界类型为重叠网格。旋翼的网格划分如图7所示。

图7 旋翼的网格划分

在处理旋翼的网格划分时主要采取优化创新后的重叠网格穿插技术，由于该模型涉及动网格和模型穿插，因此重叠网格主要由背景网格与部件网格相互重叠而完成。本项目考虑到重叠网格穿插技术的优点主要体现在两个方面：对于简化倾转旋翼飞行器模型几何的网格划分，不同计算域可采取最恰当的网格形式；针对于倾转旋翼空中飞行姿态的变化，有利于相对运动部件的动网格生成，特别是可以针对旋翼与飞行器机身可以更方便调整网格相对位置。在处理该倾转旋翼飞行器模型过程主要分为挖洞，建立大计算域与小计算域之间的连通性，进行插值计算和重叠网格划分。重叠网格穿插技术以滑移网格法思路为基础不同于以往的层铺法与网格重构法，滑移网格针对于动网格划分的局限性过于小，仅仅可以针对模型的往复运动和旋转运动[8]。重叠网格穿插技术可以针对于模型的任意不规则运动方式。

由于采取重叠网格穿插技术划分网格，考虑包裹机身的大计算域与包裹旋翼的小计算域网格是单独划分因此最终网格是由大计算域网格和小计算域网格装配在一起构成分析。该方法划分网格虽然计算域网格穿插，但不易引起网格发散，使网格收敛性好，稳定性好。本次计算采取多面体网格划分，计算域采用多边形。为保证计算精度和网格精度的要求对倾转旋翼模型机翼前后缘与机身交界处采用了网格加密[9]。采取重叠网格穿插技术的飞行器网格如图8所示。

图8 采取重叠网格穿插技术的飞行器网格

3.6 倾转旋翼eVTOL飞行器的流场分析

根据图9 可知，等值面在飞行器机翼的速度矢量分布，颜色代表速度大小。外流场由速度入口开始，在靠近机翼后发生向下偏转，在机身下表面以下洗的形式与外部风场气流60 m/s 的风场气流进行交汇，并且在机翼尾部逐渐恢复到水平流动方向。当气流从左到右流动过程中，流经前机翼的气流向下发生偏转，在经过后机翼时，由于前后机翼高度不一样处在不同平面内，因此前后机翼垂向错开虽然会受到前机翼尾流偏转的影响，但是相对于前后机翼不发生垂向错开的布局而言其迎角增大了[10]。根据图10分析可得出，当来流速度为60 m/s的情况下机身中轴线的速度分布。

图9 机翼速度矢量图

图10 机身中轴线速度折线图

图11 以倾转旋翼飞行器前方的两侧旋翼进行速度矢量图分析，浆尖旋转速度主要取决于旋翼的直径与转速。根据速度矢量图分析速度高峰值主要集中在旋翼的叶尖部分，当倾转旋翼飞行器在高速飞行的状态下要通过对叶尖速度的限制来避免桨尖高速旋转时旋翼出现过大的空气压缩振动效应[11]。综合旋翼的速度矢量图发现螺旋桨桨尖部分线速度最大，产生了明显的激波，这会导致倾转旋翼飞行器在高转速飞行状态下出现性能损失，因此需要对旋翼螺旋桨进行优化设计。设计增大旋翼桨尖处的后掠角，可以通过这种方法减缓激波现象的出现。

图11 倾转旋翼飞行器旋翼的速度矢量图

压力场是流场分析中一个重要的分析途径，由图12 可以看出，旋翼螺旋桨上方基本呈现巨大的压力场，下表面主要为低压场，因此上下表面所产生的压力差推动着螺旋桨的运动。

图12 飞行器机身压力云图

倾转旋翼飞行器的倾转过渡模式是衔接直升机模式和固定翼模式的动态过程，具有强非线性、快时变和强耦合特性的动态过程[12]。V形尾翼的压力分布顺压梯度，由于压强变化顺压梯度分布不会加速涡的破裂过程，从而进一步延缓涡破裂的过程。

图13的流场图由x截面分析尾翼流场图反映出尾翼的气流分布密集，因此可以看出该V 形尾翼可推迟涡破裂的过程与降低涡破裂的程度，进而可以优化飞行器的整体气动布局。在悬停模式下，随着水平前飞速度的增加，其机翼产生的升力也会随着速度的增加而增加，由于机翼的气动焦点在重心之前，所以机翼升力产生的抬头力矩越来越大，克服旋翼前倾引起的低头力矩，使机身的俯仰姿态基本不变。而直升机没有产生抬头力矩的机翼，因而在直升机模式，随着前飞速度的增加，机身低头姿态也增加[13]。

如图14流场图主要根据前翼与尾翼的y界面进行分析，尾翼前方的气流主要由外流场构成，前翼分流尾迹没有对V形尾翼产生速度阻滞的影响。通过此可得知V 形尾翼升力系数大，利于倾转旋翼飞行器高速飞行状态。

图14 飞行器前翼与尾翼的流线图

4 总结与展望

4.1 总结

倾斜旋翼机是一种新的旋翼机概念，具有巨大的发展潜力。本项目参考市面上电动垂直起降飞行器的具体性能参数，展开需求分析、参数选择、总体布局配置、性能分析仿真、气动分析仿真等，进行3D 建模，实现了倾转旋翼eVTOL飞行器的仿真运行。

4.2 展望

在对倾转旋翼飞行器研究的过程中发现了两点问题，因此提出以下展望：一方面，要进行整体结构优化，进一步实现高效、便捷；另一方面，后续的仿真工作不应局限于数字仿真，实际的飞行实验可直观看出飞行控制器的控制效果。