摘要
高空太阳能无人机和平流层飞艇等临近空间飞行器工作于距地面20公里至100公里的空域，填补了传统航空航天飞行器飞行高度的空白，其研发具有重要的战略意义。大功率直流电机驱动的复合材料螺旋桨是目前临近空间飞行器主要采用的动力推进系统。提高螺旋桨的气动效率并减轻螺旋桨的结构重量可以有效提升临近空间飞行器的飞行性能。 螺旋桨的弦长和扭转角分布是影响其气动效率主要因素。目前的螺旋桨弦长和扭转角优化方法在选择N个设计剖面优化弦长和扭转角时，至少需要2N个设计变量参数化弦长和扭转角分布。随着N的增大，扭转角和弦长分布更加精细，但设计变量也会显著增多，气动优化问题的求解将十分耗时。 为了减轻螺旋桨的结构重量，需要对复合材料螺旋桨进行结构优化设计。目前的复合材料结构优化方法主要是基于人为给定的固定区域划分，同级优化复合材料的铺层厚度和角度，通过变刚度设计的方式减轻复合材料螺旋桨的结构重量。然而，复合材料铺层厚度/角度同级优化方法没有考虑区域划分、铺层厚度和铺层角度之间的耦合关系，结构的刚度分布并未达到最优，还能够进一步改善。 针对目前研究存在的不足，本文提出了新的螺旋桨气动优化方法和复合材料螺旋桨结构优化方法，并开发了螺旋桨气动-结构综合设计软件平台，主要研究内容如下: (1)提出了一种基于扭转角反设计的螺旋桨气动外形优化方法。该方法结合扭转角对剖面气动效率的影响规律，使用叶素动量理论反设计剖面的最优扭转角，只需要将N个设计剖面的弦长作为设计变量，因而该方法具有更快的收敛速度;分别使用扭转角反设计和二次曲线参数化扭转角的优化方法对某型平流层飞艇的螺旋桨进行了气动优化设计;在优化过程中，二次曲线参数化扭转角的优化方法经过261步的迭代后收敛，而扭转角反设计的优化方法经过153步的迭代后收敛，该方法在保证优化精度的前提下，使计算量减少了41.38％; (2)提出了一种复合材料螺旋桨铺层区域/厚度/角度同级优化方法。该方法在考虑10种工艺约束的基础上，使用遗传算法同时优化复合材料的铺层区域、铺层厚度和铺层角度，能够通过更加精细的区域划分显著降低复合材料螺旋桨的结构重量。分别使用复合材料铺层区域/厚度/角度同级优化方法和复合材料铺层厚度/角度同级优化方法，对某型平流层飞艇的复合材料螺旋桨进行了结构优化设计;对比两种方法的优化结果发现，复合材料铺层区域/厚度/角度同级优化方法的设计结果具有更加精细的区域划分，并且重量减轻了18.6％;这表明区域划分对复合材料结构性能有巨大的影响，是复合材料结构设计中需要考虑的关键因素; (3)开发了复合材料螺旋桨气动-结构综合设计软件平台。软件共包含约13000行代码。软件包括螺旋桨气动优化模块和复合材料螺旋桨结构优化模块，由C++语言开发，以及可视化的运行界面，由C#语言开发;软件界面会根据用户输入生成C++头文件，使用cmake编译C++源代码生成可执行程序并运行，从而完成复合材料螺旋桨的优化设计工作。
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