(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111399301.2 (22)申请日 2021.11.19 (71)申请人 湖北航天 飞行器研究所 地址 430000 湖北省武汉市东西湖区金山 大道9号 (72)发明人 裴家涛　黄晓龙　李康伟　周子鸣　 张达　张华君　刘青　许铠通　 (74)专利代理 机构 武汉智汇为专利代理事务所 (普通合伙) 42235 代理人 李恭渝 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种电动无 人机旋翼的快速设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种电动无人机旋翼的快速设 计方法， 包括步骤： S1： 明确电动推进无人机总体 设计技术要 求， 包括设计高度H、 需用拉力Tdesign、 巡航速度V、 巡航效率η和尺寸约束； S2： 确定旋 翼设计额定转速ω及设计直径D； S3： 确定翼型配 置； S4： 采用统计经验的方法初步确定弦长分布b (x)； S5： 确定扭转β(x)分布； S6： 旋翼性能的评 估； S7： 判断计算拉力T与设计需用拉力Tdesign关 系； 计算旋翼力效； 本发明的旋翼设计无需复杂 的三维外 形优化， 即可满足总体方案论证阶段的 旋翼设计精度要求， 达到了快速评估的需求。 利 用该设计方法进行快速设计并通过对比试验数 据及验证计算， 证明了此设计方法不仅计算精度 可靠， 而且大大缩短了旋翼的设计周 期， 满足旋 翼快速设计及精度需求。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 114297770 A 2022.04.08 CN 114297770 A 1.一种电动无 人机旋翼的快速设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1： 明确电动无人机总体设计技术要求， 包括设计高度H、 需用拉力Tdesign、 巡航速度V、 巡航效率 η和尺寸约束； S2： 确定旋翼设计额定转速 ω及设计直径D； S3： 确定翼型配置； S4： 确定弦长b(x)分布； 采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)； S5： 确定扭转β(x)分布； 利用动量理论， 只考虑轴向诱导速度， 初步确定诱导速度vd分布， 根据叶素速度多 边形， 计算出旋翼的悬停的来流角 根据已配置的翼型， 结合工作雷诺数Re和马赫数Ma， 经 XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt， 根据叶素速度多边形， 可得到叶素剖面的 安装角 β(x)分布； S6： 旋翼性能的评估； 依据片条理论对旋翼进行建模分析， 根据叶素速度多边形、 环量理论和径向动量理论， 迭代得到 诱导速度的分布， 对整个桨叶段积分可得到翼型升力系数CT及功率系数CP， 然后可 得到旋翼的拉力T和功率P； S7： 判断计算拉力T与设计需用拉力Tdesign关系； 当计算拉力T大于设计需用拉力Tdesign时， 初步满足设计要求， 执行下一步， 反之， 可改 变设计直径、 翼型配置或其 他设计参数， 继续执 行步骤S2及后续 步骤； S8： 计算旋翼力效； 根据悬停所需的功率P及计算拉力T， 可计算出 悬停旋翼力效η； 判断旋翼力效是否满足设计 需用力效， 若满足， 则此旋翼设计初步方案满足设计要求， 若不满足， 继续改变设计参数， 继续执 行步骤S2及后续 步骤。 2.根据权利要求1所述的一种电动无人机旋翼的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S2中， 旋翼设计额定转速ω与设计直径D的确 定用桨尖速度Vtip来表征， 设计的桨尖速度不 大于0.75马赫， 即： 式中： a为当地的音速 。 3.根据权利要求1所述的一种电动无人机旋翼的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S3中， 翼型配置采用三段翼型， 桨叶半径为R， 在桨根0.2R～0.5R处将采用厚翼型； 在内段 0.5R～0.75R将采用高升力翼型； 在桨根0.75R～R将采用薄翼型。 4.根据权利要求1所述的一种电动无人机旋翼的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S4中， 桨叶弦长沿着半径方向呈先增加后降低形式， 根据相对弦长大小， 分成窄、 中和宽三 种桨叶， 根据统计经验规 律， 分别得到窄、 中和宽桨叶的相对弦长分布 如下： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114297770 A 2式中： x为桨叶位置的无量纲化 量。 5.根据权利要求1所述的一种电动无人机旋翼的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S5中， 确定扭转β(x)分布的具体方法为： 利用动量理论， 只考虑轴向诱 导速度， 初步确定诱 导速度vd分布： 式中： ρ 为空气密度； 根据叶素速度多边形， 计算出旋翼的悬停来 流角 取微小来流角修正τ； 当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大时， 整个桨叶的能量损 失最小， 力效η最大， 设计计算时， 根据已配置的翼型， 结合工作雷诺数Re和马赫数Ma， 经 XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt， 根据叶素速度多边形， 可得到叶素剖面的 安装角 β(x)分布为： 6.根据权利要求1所述的一种电动无人机旋翼的快速设计方法， 其特征在于， 所述步骤 S6中， 旋翼性能的评估具体为： 依据片条理论对旋翼进行建模分析， 根据叶素速度多边形， 叶素合速度VE： 依据环量理论， 叶素环量与弦长b、 翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系： 依据旋翼径向动量理论， 并考虑桨尖损失， 引入Prandtl修正因子F， 可得到径向诱导速 度wt： 式中： B为桨叶片数， 为桨尖安装角， r为桨叶位置； 根据叶素速度多边形， 可得到来流角 径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114297770 A 3