任务场景驱动的倾转旋翼桨叶气动优化设计方法

邓琳丹; 宋文萍; 许建华; 韩忠华; 何成军

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20250271

任务场景驱动的倾转旋翼桨叶气动优化设计方法

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20250271

邓琳丹^{1, 2,},
宋文萍^{1, 2},
许建华^{1, 2,*, ,},
韩忠华^{1, 2},
何成军³

1.
西北工业大学航空学院，西安 710072
2.
飞行器基础布局全国重点实验室，西安 710072
3.
中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，四川绵阳 621000

详细信息

作者简介:
邓琳丹（2000-），女，博士生，研究方向为螺旋桨气动设计。E-mail：denglindan@nwpu.edu.cn

通讯作者:
许建华（1984-），男，副研究员，博士，研究方向为螺旋桨气动设计。E-mail：xujh@nwpu.edu.cn

中图分类号: V211.3
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出版历程
- 收稿日期: 2025-06-05
- 网络出版日期: 2026-08-28

Mission-driven aerodynamic optimization method for tiltrotor blades

Deng Lindan^{1, 2
,},
Song Wenping^{1, 2},
Xu Jianhua^{1, 2,*
, ,},
Han Zhonghua^{1, 2},
He Chengjun³

1.
School of Aeronautic，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
2.
National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design，Xi’an 710072，China
3.
Institute of Space Technology，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China

摘要

摘要:
针对倾转旋翼机桨叶在悬停状态和巡航状态下的最优外形存在强矛盾这一难题，在倾转旋翼桨叶的优化设计中综合考虑不同任务场景下的总能耗，发展了任务场景驱动的倾转旋翼桨叶气动优化设计方法，确保飞行性能与效率的全面提升。考虑垂直起飞、巡航、悬停等典型阶段及其工作时长，以整个任务场景所消耗的总能量为目标，将多点多目标问题转化为单目标问题，分别分析了侧重于巡航和悬停任务场景下优化桨叶的外形差距，结果表明：发展的方法可实现倾转旋翼桨叶在多工况下都具有较高的气动性能，优化时间相比多目标优化节省69.67%。
- 倾转旋翼 /
- 多目标优化 /
- 气动优化 /
- 任务场景驱动 /
- 代理模型
Abstract:
To address the significant contradiction between the optimal blade shapes of tiltrotor aircraft in hover and cruise modes, a mission scenario-driven aerodynamic optimization design method for tiltrotor blades was developed. This approach comprehensively considered the total energy consumption across different mission scenarios to ensure overall improvements in flight performance and efficiency. By incorporating typical mission phases including vertical takeoff, cruise, and hover and their respective durations, the method transformed the multi-point multi-objective optimization problem into a single-objective optimization problem with the total energy consumption of the entire mission scenario as the objective. The shape differences of the optimized blades under cruise and hover-focused mission scenarios were analyzed. Results indicated that the developed method achieved high aerodynamic performance of tiltrotor blades across multiple operating conditions, with optimization time reduced by 69.67% compared with multi-objective optimization.
- tiltrotor /
- multi-objective optimization /
- aerodynamic optimization /
- mission-driven /
- surrogate model

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图 1 巡航状态ROTNS和QPROP的计算值与试验值^[21]对比

Figure 1. Comparison of ROTNS and QPROP computational results with experimental data^[21] in cruise mode

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图 2 悬停状态QPROP和ROTNS的计算值与试验值^[22]对比

Figure 2. Comparison of QPROP and ROTNS computational results with experimental data^[22] in hover modes

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图 3 考虑桨叶变距的优化流程图

Figure 3. Optimization flowchart considering blade pitch variation

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图 4 倾转旋翼桨叶多点多目标优化收敛历程及选取的桨叶外形对应在Pareto前沿的位置

Figure 4. Convergence history of multi-point multi-objective optimization for tiltrotor blades and the corresponding positions of selected blade shapes on the Pareto front

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图 5 多点多目标优化桨叶弦长及扭转角分布

Figure 5. Chord length and twist distributions of the multi-point multi-objective optimized blades

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图 6 目标函数收敛曲线（任务场景一）

Figure 6. Convergence curve of the objective function （mission scenario 1）

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图 7 优化桨叶外形（任务场景一）

Figure 7. Optimized blade shape （mission scenario 1）

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图 8 优化桨叶弦长及扭转角分布（任务场景一）

Figure 8. Chord length and twist distributions of optimized blades （mission scenario 1）

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图 9 优化桨叶分别在巡航和悬停状态下的压力云图及流线（任务场景一）

Figure 9. Pressure contours and streamlines of the optimized blade in cruise and hover modes （mission scenario 1）

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图 10 目标函数收敛曲线（任务场景二）

Figure 10. Convergence curve of the objective function（mission scenario 2）

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图 11 优化桨叶外形（任务场景二）

Figure 11. Optimized blade shape （mission scenario 2）

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图 12 优化桨叶弦长及扭转角分布（任务场景二）

Figure 12. Chord length and twist distributions of optimized blades （mission scenario 2）

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图 13 优化桨叶分别在巡航和悬停状态下的压力云图及流线（任务场景二）

Figure 13. Pressure contours and streamlines of the optimized blade in cruise and hover modes （mission scenario 2）

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图 14 悬停状态任务场景驱动与多点多目标优化桨叶在r/R=0.3处的剖面压力云图

Figure 14. Pressure contour at r/R=0.3 for mission-driven and multi-point multi-objective optimized blades in hover mode

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表 1 设计变量范围及4种桨叶方案的设计变量取值

Table 1. Design variable range and values of design variables for the 4 blade schemes

设计变量	范围		取值
设计变量	上界	下界	Opt-1	Opt-2	Opt-3	Opt-4
桨根处扭转角/（°）	70.00	30.00	39.00	38.44	36.00	32.21
桨尖处扭转角/（°）	40.00	0.00	2.36	2.68	3.51	4.54
扭转角函数极值位置r₁/R	2.00	1.00	1.70	1.31	1.46	1.42
桨根处弦长C₁/R	0.25	0.10	0.11	0.11	0.11	0.13
桨尖处弦长C₂/R	0.15	0.05	0.10	0.11	0.11	0.11
最大弦长C₃/R	0.25	0.08	0.11	0.12	0.12	0.13
最大弦长位置r₂/R	0.50	0.20	0.20	0.30	0.30	0.20

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表 2 优化桨叶在悬停状态下的气动特性（ROTNS）

Table 2. Aerodynamic characteristics of optimized rotor blades in hover mode （ROTNS）

参数	Opt-1	Opt-2	Opt-3	Opt-4
转速/（r/min）	754	761	743	749
拉力/N	20623.3	20608.8	20601.5	20604.3
扭矩/（N·m）	6307.1	6171.3	6255.6	6183.0
轴功率/kW	498.0	491.3	486.7	484.9
悬停效率/%	73.92	74.77	75.51	75.80

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表 3 优化桨叶在巡航状态下的气动特性（ROTNS）

Table 3. Aerodynamic characteristics of optimized rotor blades in cruise mode （ROTNS）

参数	Opt-1	Opt-2	Opt-3	Opt-4
转速/（r/min）	400	400	408	429
拉力/N	1807.0	1803.0	1806.7	1805.1
扭矩/（N·m）	4398.2	4428.5	4410.4	4371.4
轴功率/kW	184.2	186.2	188.4	196.4
悬停效率/%	87.29	86.08	85.33	81.71

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表 4 任务场景一（以巡航为主）的任务剖面参数

Table 4. Mission profile parameters for mission scenario 1 （cruise-focused）

飞行模式	高度/km	速度/（m/s）	拉力/N	工作时间/h
巡航	0.1	88.9	1800	2.80
垂直起飞	0	0	20600	0.14
悬停	0	0	19000	0.12

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表 5 由ROTNS评估的优化桨叶在不同飞行模式下的气动特性（任务场景一）

Table 5. Aerodynamic characteristics of the optimized blade at different flight modes evaluated by ROTNS（mission scenario 1）

气动特性	数值
气动特性	巡航	垂直起飞	悬停
桨距角/（°）	42.43	11.43	11.43
转速/（r/min）	412.2	751.0	723.0
拉力/N	1800.5	20602.0	19000.3
扭矩/（N·m）	4242.4	6297.7	5785.9
轴功率/kW	183.1	495.2	438.1
效率/%	87.41	74.21	74.30

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表 6 优化桨叶在各任务阶段的轴功率及总能耗（任务场景一）

Table 6. Shaft power and total energy consumption of the optimized blade across mission phases（mission scenario 1）

参数	巡航	垂直起飞	悬停	总能耗/（kW·h）
轴功率/kW	183.1	495.2	438.1
时间/h	2.80	0.14	0.12
能耗/（kW·h）	512.7	69.3	52.6	634.6

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表 7 任务场景二（以悬停为主）的任务剖面参数

Table 7. Mission profile parameters for mission scenario 2 （hover-focused）

飞行模式	高度/km	速度/（m/s）	拉力/N	工作时间/h
巡航	0.1	88.9	1800	0.50
垂直起飞	0	0	20600	0.14
悬停	0	0	19000	2.42

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表 8 由ROTNS评估的优化桨叶在不同飞行模式下的气动特性（任务场景二）

Table 8. Aerodynamic characteristics of the optimized blade at different flight modes evaluated by ROTNS（mission scenario 2）

气动特性	数值
气动特性	巡航	垂直起飞	悬停
桨距角/（°）	41.84	9.83	9.83
转速/（r/min）	416.2	753.0	725.0
拉力/N	1808.4	20603.2	19003.3
扭矩/（N·m）	4319.3	6203.9	5704.6
轴功率/kW	188.2	489.2	433.1
效率/%	85.44	75.13	75.18

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表 9 优化桨叶在各任务阶段的轴功率及总能耗（任务场景二）

Table 9. Shaft power and total energy consumption of the optimized blade across mission phases（mission scenario 2）

参数	巡航	垂直起飞	悬停	总能耗/（kW·h）
轴功率/kW	188.2	489.2	433.1
时间/h	0.50	0.14	2.42
能耗/（kW·h）	94.1	68.5	1048.1	1210.7

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表 10 任务场景驱动与多点多目标优化结果对比

Table 10. Comparison of mission-driven and multi-point multi-objective optimization results %

参数	工况	推进效率	悬停效率
任务场景驱动 MS-1	巡航	87.41
任务场景驱动 MS-1	垂直起飞		74.21
多目标优化 Opt-1	巡航	87.29
多目标优化 Opt-1	垂直起飞		73.92
任务场景驱动 MS-2	巡航	85.44
任务场景驱动 MS-2	垂直起飞		75.13
多目标优化 Opt-4	巡航	81.71
多目标优化 Opt-4	垂直起飞		75.80

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