NASA探讨针对UAM应用的VTOL飞行器螺旋桨设计方向

在基准飞行器的设计中，螺旋桨采用复合材料制造，其轮毂分为固定桨距和总距控制两种类型。从设计侧重点来看，螺旋桨的叶尖造型主要是为了提升飞行性能，而非专门针对降低噪音。不过，与旋翼设计类似，技术人员会在实际可行的前提下，尽可能降低叶尖速度，以此来减少叶尖高速气流产生的声学噪声，这一设计思路是基于对气动噪声产生机制的基础认知，通过控制气流速度来从源头减少噪声源的强度。

“堆叠式”螺旋桨或旋翼，指的是多个螺旋桨或旋翼沿轴向非共面布置，围绕同一轴线且以相同方向旋转的一种 propulsion 配置形式。文中给出了一个典型示例，即由两个三叶片螺旋桨组成的堆叠式螺旋桨，并通过图1(包含等轴测图、正视图和侧视图)清晰展示了其结构，该示例中的堆叠方式呈现出方位角对称的特点。

图1 由两个三叶螺旋桨构成的概念性叠层螺旋桨

在讨论中，对旋翼和螺旋桨的区分依据其运行模式：旋翼主要在悬停或边缘飞行状态下工作，而螺旋桨则主要用于轴向向前飞行状态，这种明确的区分有助于后续针对不同应用场景开展针对性研究。

历史上，堆叠式旋翼和螺旋桨曾被用于实现多种技术目标。早在20世纪30年代末至40年代初，沃特V-173“飞行薄煎饼”飞行器就率先采用了堆叠式螺旋桨设计，其目的是在高功率、大迎角的垂直/短距起降(V/STOL)操作过程中，实现桨叶的跷跷板运动，从而缓解高循环载荷对飞行器的影响，这一早期应用为后续堆叠式技术的发展奠定了实践基础。

无独有偶，美国国家航空航天局(NASA)的海鹦个人飞行器概念也采用了类似的堆叠配置，并且通过计算流体动力学(CFD)研究发现，与共面螺旋桨相比，这种堆叠式设计能够使效率提升约4%，同时噪声略微降低不到1分贝，初步验证了堆叠式技术在性能和噪声控制方面的潜力。

20世纪60年代，汉密尔顿标准可变弯度螺旋桨问世，该螺旋桨将堆叠式螺旋桨类比为多段翼型，采用两排可变桨距螺旋桨，通过调整桨距来优化静态或巡航性能。测试结果显示，其静态推力性能得到了改善，但巡航性能却未能达到传统螺旋桨的水平，这一研究结果为后续技术改进指明了方向，即如何在保证静态性能的同时提升巡航性能。

到了20世纪90年代，多布任斯基为降低前飞状态下螺旋桨的噪声，开展了不等距叶片间距的研究，并采用堆叠式螺旋桨来解决非对称间距螺旋桨的平衡难题。该研究主要针对高亚音速至跨音速马赫数范围，最终实现了约4分贝(A计权)的噪声降低，且对气动性能未产生显著负面影响，为堆叠式技术在噪声控制领域的应用提供了重要参考。

同一时期，罗日杰斯特文斯基对堆叠式旋翼展开研究，并将其命名为“剪刀旋翼”，计划用于直升机尾桨。研究结果表明，这种旋翼设计能够提高旋翼效率，并且在飞行过程中实现了宽带噪声的降低，进一步拓展了堆叠式技术的应用场景。

目前，实际投入运行的堆叠式旋翼和螺旋桨案例相对有限。其中，阿帕奇直升机的尾桨采用了两个堆叠、不等距布置的两叶片跷跷板旋翼，与V-173的设计类似。最初选择不等距布置是为了改善机械间隙，后续研究发现这种设计还能降低尾桨噪声的4倍频分量，体现了堆叠式技术在实际应用中的意外优势。

此外，螺旋桨制造商IvoProp采用“X”形配置的堆叠式螺旋桨，以增加可用推力，这类螺旋桨被应用于动力降落伞。同时，类似的IvoProp堆叠式螺旋桨也在BearHawk aircraft上进行了飞行测试，结果表明其能够改善短距起降(STOL)性能，为堆叠式技术在不同类型飞行器上的应用提供了更多实例。

在过去十年中，人们对共轴旋翼在高速旋翼机中的应用重新产生了兴趣。上原和西罗希对两个堆叠的两叶片旋翼进行了静态测试，研究发现堆叠式旋翼的性能在很大程度上取决于上下旋翼之间的相位角偏移。当下旋翼比上旋翼滞后10度时，与反向旋转旋翼相比，性能提升了4%。然而，拉马萨米对两个堆叠的三叶片旋翼进行测试时，却未能发现堆叠式旋翼相对于反向旋转旋翼在性能上有提升，这表明叶片数量等参数可能会对堆叠式旋翼的性能产生重要影响，也反映出该技术在不同配置下的复杂性。

近期，NASA兰利研究中心在静态条件下对小型无人机(UAV)规模的堆叠式旋翼配置进行了测试。初步实验结果显示，与具有相同叶片数量的共面旋翼相比，堆叠式旋翼在性能上提升了6%至7%，同时宽带噪声显著降低，这一成果为堆叠式技术在小型飞行器上的应用提供了有力支持，也进一步激发了研究人员对该技术的研究热情。

过往研究表明，堆叠式旋翼和螺旋桨相比传统旋翼和螺旋桨，在性能和/或噪声特性方面具有提升潜力。但目前尚未有确凿证据能够明确解释实现这些优势的潜在气动机制，且这些优势似乎在很大程度上依赖于尾流相互作用。计算分析工具在理解堆叠式旋翼和螺旋桨背后的气动原理方面有望发挥重要作用。

例如，CFD预测在悬停状态下与堆叠式实验结果呈现出一致的趋势，这表明CFD工具可用于尾流分析。同时，两种低阶工具也已在堆叠式配置测试中得到应用， Bhagwat使用美国陆军的旋翼机综合分析系统对Uehara和Sirohi的实验进行了建模，对尾流进行了有趣的分析，但尚未完成该工具的正式验证；另外，对商用涡量流求解器FlightStream®在堆叠式配置中的应用初步研究已被记录，这些研究促使人们对FlightStream®中使用的诱导速度模型进行了多项改进，为后续更精准的分析奠定了基础。

过往和近期的研究均表明，通过采用堆叠式旋翼和螺旋桨，能够在性能和/或声学方面获得显著优势，并且这些优势适用于各种尺寸规模的UAM飞行器。UAM运营通常要求飞行器具备垂直起降(VTOL)能力，而垂直起降需要极高的功率。堆叠式旋翼所实现的性能提升，能够等效地降低飞行器的最大功率需求和能量消耗，或者增加有效载荷能力，这对于UAM飞行器在满足运营需求、降低运营成本方面具有重要意义。

同时，城市对噪声阈值的限制可能会严重制约UAM运营，而堆叠式旋翼和螺旋桨在噪声降低方面，尤其是在宽带噪声降低方面能够发挥积极作用，有助于UAM飞行器更好地满足城市噪声标准，从而扩大其在城市环境中的应用范围。

要全面了解堆叠式旋翼和螺旋桨在性能和声学方面能够实现的优势程度，还需要开展进一步的研究。目前已有的研究在堆叠几何结构方面还不够复杂，实验通常仅改变1-2个参数，但即便如此，已经观察到了具有价值的性能和声学优势。未来，通过深入研究以揭示产生这些优势的潜在物理机制，并改进建模和分析能力，有望实现设计优化，从而获得比目前已观察到的更大优势。

此外，现有证据已经足够表明，如今可以将简单的堆叠式旋翼或螺旋桨配置应用于特定的飞行器配置，并通过实证测试来获取性能和/或声学方面的收益。不过，目前针对堆叠式配置的研究大多集中在静态条件下的旋翼上，因此，未来有必要进一步研究旋翼在边缘飞行状态下以及螺旋桨的性能和声学特性，以全面评估堆叠式技术在不同飞行状态下的表现，为其在UAM等领域的广泛应用提供更全面的技术支持。

涵道螺旋桨/风扇是一种将螺旋桨安装在涵道内的推进系统。这种结构能够显著减少通常从螺旋桨叶尖脱落的叶尖涡，从而增加产生的推力。同时，叶尖涡的减少以及对叶片噪声的整体屏蔽作用，还能使整体噪声水平降低。涵道螺旋桨具有多种应用场景，在本报告中，重点关注“可倾转涵道”“环翼机”和“升力风扇”这三种典型变体在垂直起降(VTOL)应用中的情况。

其中，可倾转涵道指的是在从悬停状态过渡到巡航状态时，涵道螺旋桨能够从垂直方向倾斜至水平方向；环翼机属于尾座式飞行器，其机身位于涵道螺旋桨的中心；升力风扇则是将涵道螺旋桨集成到飞行器的机翼或机身中，不同的变体设计适用于不同的UAM应用需求。

为了更好地理解上述技术描述，文中通过图2展示了过去采用该技术的设计实例，包括贝尔X-22(可倾转涵道)、斯奈克玛环翼机(SNECMA Coléoptère)(环翼机)和瑞安XV-5B(升力风扇)，这些设计均诞生于20世纪50年代末至60年代初，为涵道螺旋桨技术的发展积累了宝贵的历史经验。

图2 历史上的涵道螺旋桨飞行器

在这三款飞行器中，贝尔X-22是最为成功的，它作为试验飞机从1966年服役至1988年，完成了超过500次试验飞行。在展示出相对易于控制的特性后，该飞机被用于测试其他多种垂直/短距起降(V/STOL)尝试所使用的传感器和仪器。詹金斯、兰迪斯和米勒在对X-22的简要总结中指出：“涵道风扇配置本身被证明是相当可行的，尽管迄今为止尚未有后续飞机选择采用这种配置”，这一评价既肯定了该技术的可行性，也指出了其在后续发展中面临的挑战。

斯奈克玛C.450环翼机(SNECMA Coléoptère)是迄今为止最成功的环翼机，由诺德航空公司于1958年制造。它在1959年4月至7月期间进行了9次飞行，其中1至5次测试侧重于悬停，6至8次测试试图了解过渡飞行状态，第9次飞行实现了从悬停到前飞再回到悬停的过渡，但遗憾的是，该飞行器未能成功着陆。赫希伯格、穆勒和罗歇指出，早期预警系统和远程地对空导弹系统的改进，使得这种概念的作用不再必要，但这并不排除该概念在其他领域的应用潜力，为环翼机技术的未来发展留下了想象空间。

瑞安XV-5配备了两台涡轮喷气发动机，通过气动方式连接到两个62.5英寸的机翼升力风扇和一个36英寸的俯仰控制升力风扇。为了在悬停状态下帮助控制飞行器，每个升力风扇都配备了可移动的叶片，这些叶片能够将推力从向前7度转向向后45度。XV-5A于1964年7月首次飞行，经过改装的版本(XV-5B)最后一次飞行是在1971年1月。该飞行器的试飞员之一罗纳德·格维斯总结道，这款飞行器“证明了……升力风扇坚固耐用，易于维护和操作”，为升力风扇技术的实用性提供了有力证明。

目前，在城市空中交通(UAM)和无人驾驶航空器系统(UAS)领域，针对可倾转涵道概念的研究十分活跃，反映出该技术在这些新兴领域的潜在应用价值。相比之下，环翼机在近年来的研究和开发关注度较低，可能是由于其在过去的应用中面临了一些技术或市场方面的挑战。

在涵道螺旋桨领域，最具重要意义的研究和开发成果当属F-35B“闪电II”联合攻击战斗机。该飞机采用升力风扇实现短距起飞/垂直着陆(STOVL)功能，于2015年7月达到初始作战能力，目前包括美国、英国以及其他多个国家仍在对该飞机进行作战测试，这一实际应用案例充分展示了涵道螺旋桨技术在先进战斗机上的成熟度和可靠性。

可倾转涵道和升力风扇概念在UAM领域引起了广泛关注，目前采用该技术的最著名概念包括阿古斯塔·韦斯特兰、阿斯顿·马丁、贝尔和莉莉姆等公司的相关设计，这些知名企业的参与表明了涵道螺旋桨技术在UAM商业化应用中的巨大潜力。

对于商业UAM而言，采用涵道螺旋桨技术具有多方面的显著优势，除了能够提高终端安全性、提升乘客接受度、降低噪声和减少运营成本(如果设计合理)之外，还能为UAM的商业化运营提供更多技术选择和可能性。鉴于全球已有多家公司采用该技术，因此有必要共同努力，深入研究该技术在未来商业运营中的具体应用方式，以推动UAM产业的健康发展。

涵道螺旋桨有望成为未来多款UAM飞行器的主要技术之一。电动推进技术在影响可倾转涵道和升力风扇的设计以及缓解其集成挑战方面的潜力正逐渐显现，电动推进的引入可能会为涵道螺旋桨技术带来新的发展机遇，例如简化结构、提高效率等。

然而，环翼机/尾座式飞行器在设计方面面临着极大的挑战，这使得当前投资者和初创企业对其投资风险较高。不过，以往针对各种环翼机设计所开展的研究，为该变体在未来N+2代UAM设计中的应用潜力提供了指导，未来或许可以通过技术创新和设计优化，克服环翼机当前面临的困难，使其在UAM领域发挥独特作用。

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