【无人机优化设计】《计算多机建模与设计》2022最新148页论文，美国海军研究生院

本论文利用轴向动量理论（AMT）的修改版本和计算流体动力学（CFD）来模拟具有类似的简化流动的多个螺旋桨，以估计小型无人飞行器（UAVs）的空气动力恒定力。利用AMT的修改版本，对一个现成的商用垂直起降（VTOL）平台和一个为向前飞行而优化的新设计进行了比较。

目标

本论文利用轴向动量理论（AMT）的修改版本和计算流体动力学（CFD）来模拟具有类似的简化流动的多个螺旋桨，以估计商业现货（COTS）垂直起飞和降落（VTOL）平台上的空气动力和重力作用。利用AMT的修改版本，对COTS平台和为前向飞行优化的新设计进行了比较，以研究VTOL飞行器的潜在改进。

能源

美国国防部（DOD）有兴趣在军队活动的地方开发和部署能源解决方案，而不是远距离运输燃料[1]。使用移动手段在当地生产氢气可以使任务更加安全，并改革能源供应链[1]。由于氢气的高燃烧热和高比热，它是传统飞机燃料的一个有利的替代品[2]。

与传统的化石燃料相比，"氢气的体积密度明显较低，但重量密度是其两倍以上" [3]。在Sarkar和Banerjee对氢气储存方案的分析中，他们得出结论，氢气 "似乎对长期可行性最有利"，"[压缩方案]所需的总能量最低" [3]。压缩氢气增加了其体积能量密度，使其成为立即用于燃料电池或涡轮机的可行选择[3]。氢气有可能以有效和具有成本效益的方式得到适当的利用，通过水解使可再生能源的可能性变得无限大[4]。

一个小规模的、可靠的氢气站在船上或部署，加上持久的无人指挥、控制、通信、计算机、网络、情报、监视和侦察（C5ISR）资产，由当地生产的氢气驱动，可以满足全世界对自我维持和高度移动资产的需求[5]。由于氢气可以使用任何可用的电能来源从水中制造出来，它几乎可以在世界任何地方就地生产[2]。一种清洁、可持续和可移动的氢气生产方法是电解水[3]。如果利用海水，每艘海军舰艇都可以生产无人驾驶航空器（UAV）、无人驾驶水面舰艇（USV）或无人驾驶水下舰艇（UUV）所需的压缩氢气。这种能源独立的海军部队将改革目前需要的供应线，并增加战区资产的驻扎时间。

商业平台

多旋翼飞机，如四旋翼飞机，正在成为军事应用中更相关的平台。由于多螺旋桨的设计，用计算便宜的方法对这些平台进行建模被证明是一个挑战。所选择的COTS平台将基于复合材料的结构与压缩氢气储存和燃料电池技术相结合。像Intelligent Energy和HES Energy Systems这样的公司已经证明了他们的燃料电池无人机在续航能力上可以超过只有电池的单位[5]。当操作氢燃料电池时，唯一的副产品是电能、热量和水蒸气。

海军研究生院从HES能源系统公司获得了一个名为 "Hycopter "的COTS平台[6]。这个氢燃料电池驱动的系统具有以下飞行特性[7]。

在12升氢气罐加压到34.5兆帕（5000磅/平方英寸）且无有效载荷的情况下，飞行时间为3个多小时
宣传的最大有效载荷为2.5公斤
最大起飞重量（MTOW）为16.5公斤

根据宣传材料，"Hycopter无人机可以覆盖6倍于当今大多数电池无人机的表面积，使大规模检查更快、更便宜、更容易完成" [7]。在有人落水或海上搜救的情况下，这种增加的续航能力可以定位目标，弥补部署载人飞机进行救援所需的时间。图1显示了COTS平台与市面上的附件。

"为安静的长续航时间（LE）多旋翼飞行、可靠性和高性能而设计"，这种飞行器可能的军事应用包括C5ISR或搜索和救援（SAR）任务，与有人驾驶的飞机行动一起或代替有人驾驶的飞机[7]。所宣传的2.5公斤的有效载荷能力限制了将该平台用于战斗行动或营救受伤或被困人员的可能性[7]。

本研究的COTS平台是一种VTOL飞行器，可在10分钟内由一个两人小组轻松部署，是当前技术的代表[7]。该COTS平台的设计飞行特性包括最大横向速度为15.6米/秒，最大辅助速度为3米/秒，最大倾斜角度为32度[7]。Yang为Aqua-Quad提供的稀少数据表明攻角和真实空速之间存在线性关系[8]。图2显示了Aqua-Quad的数据。

图 2. Aqua-Quad 真实空速与平台俯仰。

推力换算

COTS氢气平台与类似尺寸的电池动力飞机相比具有明显的优势，但由于该平台专注于悬停飞行，因此在飞行包络上受到限制。"为了实现最小重量的目标，VTOL飞机的设计应优化为向前飞行"[9]。"有四种技术可以将系统从垂直推力模式转换为水平巡航飞行模式：倾斜飞机、倾斜推力、推力矢量和单独（双）推力" [10-12]。从概念上讲，这些技术可以使飞机在相同的燃料量下，比同等大小的直升机多走一倍的路程，多走一倍的速度[13]。例如，V-22鹗式飞机的飞行包络线超过了直升机，也超过了涡轮螺旋桨飞机的大部分[13]。

对悬停飞行的关注以类似于直升机和其他VTOL平台的方式限制了多旋翼飞机。由于多旋翼飞机通常是无人驾驶的，所以没有像V-22鹗式飞机那样可以携带货物或人员的驾驶舱的设计要求。设计方案将是一个倾斜的飞机，这大大降低了工艺复杂性，但保持了V-22所看到的类似优势。与目前的COTS氢气平台相比，V-22的一个优势是V-22有可变距螺旋桨。变距螺旋桨允许在所有的飞行模式下高效飞行。图3显示了飞翼方案的起飞配置。

图 3. Bluff Body Flying Wing建议起飞配置

"飞机的航程取决于诸如空速、燃料容量、载荷、悬停要求和起飞/降落配置等因素" [13]。传统的飞机在起飞时的推力值是被提升的总重量的百分之三十到四十[11]。对于VTOL飞机，垂直升降模式下的推重比必须超过工作重量一定的幅度[14]。图4显示了V-22飞行包络线与传统飞机相比的优势。

图 4. V-22 与直升机/涡轮螺旋桨飞行包线的对比。

在巡航飞行中，有人驾驶的直升机和旋转型VTOL飞机的效率比管道风扇或涡轮风扇和涡轮喷气机要差[12]。传统飞行的续航能力和航程优势使得从旋翼飞行过渡到固定翼飞行非常可取。保持旋翼飞机的配置限制了速度，因为在前进的叶片上会产生冲击波，在后退的叶片上会出现失速情况[15]。这些跨音速问题严重限制了载人旋翼平台的最高速度；然而，旋翼飞机在需要快速横向运动和快速盘旋上升/下降程序的机动中速度较快[15]。对于较小的无人驾驶平台来说，这些限制中的一些可能没有那么重要。图5显示了V-22与传统飞机相比在燃油经济性方面的优势。