Trim-Constrained Aero-Propulsive Assessment of Distributed Electric Ducted Fans for a Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle

技术摘要：用于固定翼无人机的分布式电驱动风扇配平约束气动-推进评估

问题陈述
固定翼无人机（UAV）的电气化将推进系统尺寸设计转变为一个耦合的飞行器集成挑战。虽然分布式电推进（DEP），特别是使用电驱动风扇（EDF），具有通过滑流能量化增强低速升力的潜力，但它也引入了复杂的气动-推进权衡。以往的研究往往只孤立地研究升力增益，而未同时考虑相关的阻力惩罚、展向载荷畸变以及对纵向配平和控制权威性的关键影响。对于中小型无人机而言，如果一种配置在增加升力的同时诱发了过大的阻力、产生了非椭圆载荷或导致升降舵饱和，那么该配置在操作上可能是不可用的，特别是在考虑到重心（CG）位置对稳定性高度敏感的情况下。本文旨在填补这一空白，即不仅将分布式 EDF 集成视为一种升力产生机制，而是将其视为一个必须兼顾效率与控制裕度的系统。

研究方法
本研究以 LSU 05 NG 固定翼无人机作为代表性平台，沿机翼集成了十二个 70 mm EDF（每侧半翼六个）。研究采用了两层评估框架：

1. 降阶气动-推进模型： 开发了一种简化的滑流载荷模型，用于筛选完整的十二个 EDF 布局。该模型将 EDF 诱导的速度增量视为高斯叠加的尾流。它计算局部动压，积分展向升力，并评估阻力分量（型阻、诱导阻力和安装阻力）。至关重要的是，该模型结合了纵向配平分析，以确定在各种飞行状态（巡航、起飞、着陆、失速）和重心位置（$x_{CG}/MAC = 0.30, 0.35, 0.37$）下平衡俯仰力矩所需的升降舵偏角（$\delta_e$）。
2. CFD 诊断工作流： 为了支持降阶模型的发现，建立了一个针对配备三个 EDF 的代表性机翼截面的计算流体力学（CFD）工作流。该工作流对比了在不同攻角（$\alpha$ 从 $0^\circ$ 到 $20^\circ$）下的配对“断电”（基准）与“通电”（35,000 rpm）模拟。CFD 分析侧重于量化升力增量（$\Delta C_L$）、阻力增量（$\Delta C_D$）和效率变化（$\Delta (C_L/C_D)$），以及转子诊断参数（推力、扭矩、功率）。

核心贡献
本文的主要贡献在于提出了一个统一的、受配平约束的框架，通过综合指标视角而非孤立的力系数来评估 DEP 性能。具体而言：

• 集成指标： 它在一个统一的概念设计工作流中，将升力增强与阻力增长、升阻比（$L/D$）退化以及剩余升降舵裕度耦合在一起。
• 重心敏感性分析： 它明确筛选了重心位置对配平可行性的影响，证明了虽然滑流升力增益对重心位置相对不敏感，但所需的升降舵权威性却高度敏感。
• 设计支持模板： 它提供了一个结构化模板，用于插入高保真 CFD 数据（配对的断电/通电结果），以验证降阶预测的物理来源，同时避免将设计支持与全机模型的正式验证相混淆。

主要结果

• 气动权衡： 对十二个 EDF 配置的降阶分析表明，升力增益（$G_L$）为 47.0–60.2%。然而，这伴随着显著的阻力增加（$G_D$ 为 88.6–101.2%），导致升阻比（$R_\eta$）下降了 16.15–24.32%。
• 配平与控制极限：
  • 前重心（$x_{CG} = 0.30$）： 飞机在着陆和失速阶段达到升降舵极限，导致配置受配平限制。
  • 中重心（$x_{CG} = 0.35$）： 着陆配平是可恢复的（拥有 4.27° 裕度），但失速情况仍会出现升降舵饱和。
  • 后重心（$x_{CG} = 0.37$）： 该配置提供了最佳折衷方案，保留了 5.80° 的着陆升降舵裕度，且起飞效率退化最低（17.53%）。
  • 失速状态： 在所有重心情况下，失速阶段均达到了升降舵极限（$\delta_{e,lim} = -25^\circ$），这表明在没有进一步改进尾翼权威性或推力调度的情况下，无法安全利用动力升力效益。
• CFD 洞察： 三个 EDF 截面的 CFD 分析显示，DEP 在附着流状态下最为有效。在 $\alpha = 5^\circ$ 时，通电配置产生了巨大的相对升力增益（+697.5%）和显著的效率提升（+177.2%），因为滑流重新激活了边界层。然而，当 $\alpha$ 接近失速（$17^\circ$）时，效率增益几乎消失（仅为 +1.9%），因为额外的升力几乎完全被阻力惩罚和流动分离所抵消。CFD 证实，DEP 是一种中低攻角升力机制，而非高攻角失速改进机制。

意义与主张
本文主张，DEP 集成的价值不在于孤立地最大化升力，而在于识别那些能够保持气动效率和控制权威性处于可接受水平的配置。研究表明，对于 LSU 05 NG 而言，“最佳”设计并非升力最大的设计，而是那个（特别是后重心情况）能保留可用配平裕度并最小化效率损失的设计。作者断言，DEP 设计必须从最早的概念阶段就开始纳入重心包线分析和尾翼权威性约束。所提出的框架作为一个可重复的工作流，用于筛选布局并指导未来的优化（例如平滑展向吹气分布以及基于配平状态的 EDF 转速调度），从而在进入风洞或飞行测试之前提供指导。