[发明专利]一种自适应气动变距螺旋桨设计方法

说明书

本发明提出一种自适应气动变距螺旋桨设计方法，利用航空飞机纵向配平的概念和方法，在没有多余附加机构的情况下，对螺旋桨桨叶本身气动特性进行设计，通过类比飞机双翼或鸭式布局的配平原理，将桨叶设计为具有气动静稳定性的双桨叶布局，在具备提供高桨盘载荷能力的同时，对于不管是飞行速度变化或转速变化带来的前进比改变，都可以自动变距，从而使螺旋桨在较宽的飞行包线内都具有较好的自动变距特性。

技术领域

本发明涉及航空飞行器技术领域，具体的是一种用于小型飞机动力系统的自适应气动变距螺旋桨设计方法。

背景技术

针对飞机在不同飞行状态下螺旋桨的设计矛盾，大飞机通常可采用可控变距装置。但对于小型飞机或无人机来说，可控螺旋桨变距系统机构太过复杂，重量代价较大。为了寻找一种更为廉价的螺旋桨宽包线设计方案，已有相关研究提出一些解决方案。例如，刘成业、宋笔锋等人研究了一种可变直径的螺旋桨(Liu C,Song B,Wang H. Design andoptimization of a variable diameter propeller[C]//International Conference onInformation Science,Electronics and Electrical Engineering.IEEE,2014:291-295.)，用以扩大倾转旋翼机螺旋桨的工作范围；王伟发明了一种利用离心力自动改变桨距的装置 (王伟.一种螺旋桨的变距机构与装配该装置的旋翼机,CN 105947183A[P].2016.)，可使螺旋桨根据转速的不同自动调节桨距；鲍静云等人发明了一种自动变距装置(鲍静云,范晋红,刘双,殷兰兰.一种自适应变距螺旋桨与飞机，CN205499338U[P]. 2016)，其变距是应用弹簧组件根据拉力大小自动调节桨距，拉力大时桨距小；韩伟发明了一种自动变距装置(变距螺旋桨及无人机,CN201710853787.X[P].2017)，可利用电机扭矩提供的反扭矩自动调节桨距，扭矩大时桨距变小；席亮亮等人发明了一种利用离心力自动变桨径、桨距的装置(席亮亮,宋笔锋,王海峰.一种能够变桨径桨距的螺旋桨,CN105620728B[P].2017)。曾洪江等人研究了一种利用桨叶前后缘压力差进行变距的装置(曾洪江,白琳,谢晋东.用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机, CN104973236A[P].2015)。

国外方面，Heinzen S B等人研究了一种使用反弯翼型的螺旋桨(Heinzen S B,Halljr C E,Gopalarathnam A.Development and Testing of a Passive Variable-Pitch Propeller[J].Journal of Aircraft,2015,52(3):1-16.)，使得桨叶可根据自身流场产生的气动力进行自动变距。

目前大部分自动变距装置均是基于附加机构，利用转速(离心力)、扭矩或拉力等进行自动变距，一定程度上可缓解不同工况下的螺旋桨效率矛盾。但受其变距原理的限制，通常很难兼顾多种复杂工况。例如，采用离心力组件进行自动变距的方案，其变距角度取决于转速，当转速变化时才能进行变距，那么当飞机飞行速度变化，但转速不变时，螺旋桨无法进行自动变距，这种情况会出现在飞机垂直起降和过渡阶段，螺旋桨一直工作在最大转速状态，但飞机飞行速度产生较大变化；而利用拉力和扭矩进行自动变距的方案，同样无法解决飞行速度带来的问题，例如飞机在高空和低空平飞时，由于飞机的升阻比变化不大，通常螺旋桨所需提供的拉力变化不大，但由于空气密度不同，若保持动压不变，高低空飞机的巡航速度将会产生较大变化，那么利用拉力来自动变距的螺旋桨无法针对该情景进行自动变距。