【摘 要】
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近年来旋翼飞行器日益增长的需求和科学技术的进步,带动了多旋翼飞行器技术的发展,其中以四旋翼为主要代表。四旋翼无人机的机动性能受到其空气动力学特性影响显著,特别是旋翼间距较小的多旋翼系统中。本文研究了具有不同旋翼间距（1d-2d）和旋翼倾转角（0-50度）的非平面四旋翼无人机的气动性能。通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合并相互验证,从而得到不同结构飞行器的气动特性,并为非平面式旋翼飞行器气动布局
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近年来旋翼飞行器日益增长的需求和科学技术的进步,带动了多旋翼飞行器技术的发展,其中以四旋翼为主要代表。四旋翼无人机的机动性能受到其空气动力学特性影响显著,特别是旋翼间距较小的多旋翼系统中。本文研究了具有不同旋翼间距（1d-2d）和旋翼倾转角（0-50度）的非平面四旋翼无人机的气动性能。通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合并相互验证,从而得到不同结构飞行器的气动特性,并为非平面式旋翼飞行器气动布局的优化提供一定的理论参考。首先通过利用动量理论和叶素理论对单旋翼在广义运动下的气动模型进行研究,得出拉力系数、阻力系数和功率系数模型。以诱导速度和入流率的变化来衡量气动干扰对飞行器气动性能影响,从而建立翼间干扰模型。得出非平面四旋翼的功率系数由桨叶形状阻力功率数,有效功率系数和诱导功率系数组成,分别给出了功耗由气流不均匀分布引起的滑移速度以及产生拉力的诱导速度组成。并验证该模型也可用于来流下的飞行器。建立了一套MRF与滑移网格相结合的数值模拟方法,该方法可以适用于旋翼流场分析。主要得到单旋翼和不同结构的四旋翼整机模型在悬停和2.5m/s的来流条件下的流场分布,包括速度、压力、流线和涡量等势面等参数。此外,搭建了单旋翼拉力试验平台,将所采集到的试验数据与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟方法和试验平台的可行性和有效性。并在此基础上,将装置改进为可调节间距和倾角的四旋翼整机测试平台,得到不同间距和倾角下的非平面四旋翼整机拉力和功耗,结合验证有效的数值模拟结果,分析了旋翼间距和倾角对流场分布的影响。为更接近实际户外飞行条件,将给予飞行器2.5m/s的二级风来流扰动,并与无风场扰动下的四旋翼飞行器气动参数进行对比。研究结果表明:（1）单旋翼在悬停和来流扰动时拉力呈周期性波动,来流大幅度提升拉力性能;（2）受翼间干扰影响,非平面式四旋翼飞行器整机拉力性能优于传统平面式四旋翼飞行器;（3）涉及非定常流动时,非平面四旋翼飞行器的流场极为复杂,当桨叶通过旋涡时,形成了局部攻角和速度压力分布的脉动;（4）由于倾转旋翼更好的利用翼间干扰,悬停时拉力随着倾角的增加而增加,最高可达6.2%,这同时也导致功率增加;（5）来流对上游旋翼拉力提升明显,下游旋翼受来流和上游旋翼的尾迹影响,导致下游旋翼拉力相对于上游大幅度降低;（6）来流在增加整机拉力的同时,也会增加功耗,但拥有较好的功率载荷
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