NASA概念VTOL飞行器高保真CFD动力学分析

随着城市空中交通(Urban Air Mobility, UAM)的兴起，垂直起降(Vertical Takeoff and Landing, VTOL)空中出租车作为未来城市交通的重要组成部分，正成为航空领域的研究热点。这类飞行器需满足低噪声、高效率、高安全性等严苛要求，其气动特性与传统航空器相比更为复杂，尤其是多旋翼构型中旋翼与机体部件间的气动相互作用，给性能预测与设计优化带来了巨大挑战。为支撑UAM飞行器的研发，美国国家航空航天局(NASA)通过革命性垂直升力技术(Revolutionary Vertical Lift Technology, RVLT)项目设计了多款空中出租车概念机型，旨在验证相关关键技术并引导后续研究方向。

在UAM飞行器的气动分析中，低保真工具虽具有计算成本低、周转速度快的优势，但难以捕捉非定常、非线性的复杂流动细节及多旋翼间的气动耦合效应。因此，高保真计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法成为精准建模这类飞行器气动特性的必然选择。该研究采用高保真CFD模拟技术，对NASA设计的四款UAM概念飞行器进行了系统的气动性能分析，为这类飞行器的研发提供了重要的技术支撑与理论参考。

本研究采用的核心流动求解器为NASA研发的OVERFLOW CFD求解器，该求解器基于有限差分方法，采用结构化嵌套网格技术，能够高效求解高阶精度的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，适用于复杂构型飞行器的气动模拟。网格生成方面，借助NASA的Chimera网格工具(Chimera Grid Tools, CGT)构建旋翼及完整飞行器的嵌套网格，图1展示了四款NASA概念飞行器的嵌套表面网格，包括安静单主旋翼(Quiet Single-Main Rotor, QSMR)直升机(图1a)、并列双旋翼机(图1b)、四旋翼机(图1c)和倾转翼机(图1d)。这些网格能够灵活处理旋翼旋转等运动边界条件，为精准捕捉复杂流动现象奠定了基础。

图1 NASA 概念设计的重叠面网格

为实现气动特性与结构动力学的耦合分析，OVERFLOW求解器与旋翼机综合分析代码CAMRAD II采用松散耦合方式进行数据交互。其中，CFD求解器提供高保真的非线性气动数据，用于修正CAMRAD II中的升力线气动分析结果；而CAMRAD II则负责完成结构动力学计算与飞行器配平分析，并将相关参数反馈给OVERFLOW，形成模块化的分析框架，通过输入/输出接口实现数据通信。

研究中采用时间相关的雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)方程，以强守恒形式表示为：

式中，q=[ρ‌,ρ‌u,ρ‌v,ρ‌w,e]^T为守恒变量向量，包含密度ρ‌、动量分量ρ‌u,ρ‌v,ρ‌w及总能量e；F、G、H为无粘通量向量；F_v、G_v、H_v,为粘性通量向量。

时间推进采用二阶精度的向后欧拉方法，并结合双时间步技术(dual-time stepping)进行稳态迭代，其中物理时间步长Δt对应旋翼旋转0.25度，每一步物理时间迭代包含最多50次双时间子迭代，确保子迭代残差降低2.5-3个数量级。空间离散方面，单元格界面处的无粘通量采用六阶中心差分格式计算，并引入五阶人工耗散项抑制高频数值振荡，最终实现五阶精度的离散格式；粘性项则采用二阶差分格式处理。方程求解采用对角占优交替方向隐式(diagonally-dominant alternating direction implicit, DDADI)分解格式的对角化形式，提升计算效率。

湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras(SA)湍流模型与延迟分离涡模拟(delayed detached-eddy simulation, DDES)方法相结合的方式，既能精准捕捉近壁区湍流特性，又能有效模拟分离涡等非定常流动现象。所有概念机型的模拟均在NASA的Pleiades、Electra和Aitken超级计算机上完成，采用1000-2500个处理器并行计算，确保模拟的高效性与准确性。

NASA设计的四款UAM概念飞行器各具特色，针对不同的应用需求优化设计，其旋翼几何参数与关键性能指标如表1所示。以下将分别对各机型的设计特点、气动特性及流动可视化结果进行详细分析。

表1 NASA UAM飞行器的旋翼几何参数

QSMR是专为UAM任务设计的低噪声直升机概念，其设计重点在于降低飞行噪声，同时满足城市短途运输需求，因此航程相对较短。为实现低噪声目标，该机型采用了多项关键设计：一是采用无尾桨(NO TAil Rotor, NOTAR)反扭矩系统，消除了传统尾桨产生的噪声；二是主旋翼采用低桨盘载荷与低梢速设计，从源头抑制噪声生成；三是优化桨叶设计，通过梢部下垂结构减少桨叶-涡相互作用(blade-vortex interactions, BVI)产生的噪声。

研究中针对三种不同的旋翼几何构型进行了对比分析：(a)基线构型(3片叶片)；(b)低噪声构型(6片叶片，无桨叶下垂)；(c)低噪声构型(6片叶片，30°梢部下垂)。图2展示了这三种构型在悬停状态下的涡旋尾迹可视化结果，基于Q准则等值面并以涡量大小着色。从图中可以观察到，所有构型的涡旋尾迹在旋转2-4圈后均会发生破裂现象。基线构型(图2a)与无下垂低噪声构型(图2b)的涡旋涡量大小相近，而采用30°梢部下垂设计的构型(图2c)中，主梢涡的位置发生明显偏移，且涡量强度显著降低，这表明梢部下垂设计能够有效削弱主梢涡的强度，从而减少BVI噪声。此外，在桨叶下垂起始位置还形成了一个次级弱涡，这是由于该区域桨叶气动载荷分布发生变化所致，该次级涡对整体气动性能的影响较小，但进一步验证了梢部下垂设计对流动结构的调控作用。

图2 三种不同旋翼几何形状下QSMR的涡旋尾流可视化结果

并列双旋翼机是一款高性能直升机概念，采用两个相互啮合的旋翼设计，旨在通过优化旋翼布局提升巡航效率。研究重点分析了旋翼重叠率对气动性能的影响，选取了四种不同的重叠距离(25%半径重叠、15%半径重叠、5%半径重叠及0%半径重叠)进行模拟。图3展示了前飞状态下不同旋翼重叠率的涡旋尾迹可视化结果。

图3 前飞状态下不同旋翼重叠度的

并列旋翼涡旋尾流可视化结果

分析发现，当旋翼重叠率为15%半径时(图3b)，飞行器的旋翼升阻比达到最高，巡航效率最优。这是因为重叠的并列双旋翼形成的组合尾迹系统类似于一个大展弦比的单翼，能够有效降低诱导功率损耗，从而提升气动效率。相比之下，无重叠的双旋翼构型(图3d)的尾迹系统相互独立，诱导阻力较大，巡航性能较差。这一结果为并列双旋翼机的旋翼布局优化提供了重要依据，表明合理设计旋翼重叠率是提升这类机型巡航效率的关键手段。

四旋翼机是UAM领域应用广泛的多旋翼构型，NASA设计的这款四旋翼概念机在布局上进行了针对性优化：将后旋翼安装位置高于前旋翼，以减少巡航状态下前后旋翼间的气动相互作用，从而降低巡航所需功率。该机型采用总距控制方式，无需周期变距控制，简化了控制系统设计。

图4展示了四旋翼机在悬停(图4a)和巡航(图4b)状态下的涡旋尾迹可视化结果，图中以涡量大小等值线展示了右侧旋翼所在垂直平面的流动特性。在悬停状态下(图4a)，四个旋翼产生的涡旋尾迹呈对称分布，涡量集中在旋翼梢部区域，尾迹向下延伸过程中逐渐扩散；而在巡航状态下(图4b)，由于飞行器向前飞行，旋翼尾迹发生明显偏折，后旋翼处于前旋翼的尾迹影响区之外，这验证了高低错落的旋翼布局设计能够有效削弱旋翼间的气动干扰，减少功率损耗。此外，巡航状态下旋翼的涡量分布更为均匀，表明该构型在前进飞行时的气动特性更为稳定，能够满足UAM飞行器的巡航性能要求。

图4 四旋翼城市空中交通(UAM)概念机

在悬停和巡航状态下的涡旋尾流可视化结果

倾转翼机是一种兼具直升机垂直起降能力与固定翼飞机高速巡航性能的混合构型，NASA设计的这款概念机配备8个旋翼：6个螺旋桨旋翼安装在主翼上，2个可倾转旋翼布置在水平尾翼处。该机型的核心优势在于能够更高效、更安静地实现高速巡航，因为旋翼无需承受侧飞工况，气动载荷分布更为合理；但其面临的主要挑战是如何安全、高效地实现直升机模式与飞机模式之间的过渡飞行。

为提升过渡飞行的稳定性，主翼上的旋翼布置采用了特定设计：旋翼产生的气流能够完全覆盖主翼表面，在大迎角过渡过程中抑制机翼分离，提升气动稳定性；同时，机身右侧的旋翼逆时针旋转，左侧旋翼顺时针旋转，以削弱翼梢涡强度，降低诱导阻力。图5展示了倾转翼机在过渡飞行(图5a)和巡航(图5b)状态下的涡旋尾迹可视化结果(基于Q准则等值面与涡量大小着色)。在过渡状态下(图5a)，旋翼处于倾转过程中，尾迹系统呈现复杂的三维结构，主翼表面气流附着良好，未出现明显分离现象，表明该布局设计能够有效抑制过渡过程中的流动分离；在巡航状态下(图5b)，旋翼已完全倾转至水平位置，尾迹沿飞行方向延伸，涡量分布均匀，气动阻力较小，体现了该构型高速巡航的优势。过渡过程中的流动可视化结果为优化过渡飞行控制策略、提升过渡阶段的气动稳定性提供了重要参考。

图5 倾转翼概念机在过渡飞行和

巡航状态下的涡旋尾流可视化结果

本研究基于高保真CFD模拟技术，对NASA研发的四款UAM空中出租车概念机型(QSMR直升机、并列双旋翼机、四旋翼机、倾转翼机)进行了系统的气动性能分析与流动可视化研究。研究采用NASA的OVERFLOW高阶精度纳维-斯托克斯求解器，结合Chimera嵌套网格技术与DDES湍流模型，构建了精准的数值模拟框架，并通过与CAMRAD II代码的松散耦合，实现了气动特性与结构动力学的耦合分析。

通过对四款概念机型的模拟分析，揭示了不同构型的气动特性与流动机制：QSMR直升机的桨叶梢部下垂设计能够有效削弱梢涡强度，降低BVI噪声；并列双旋翼机的15%半径重叠率设计可最大化升阻比，提升巡航效率；四旋翼机的高低错落旋翼布局减少了旋翼间气动干扰；倾转翼机的旋翼覆盖式布置与反向旋转设计则有效抑制了过渡飞行中的流动分离，提升了高速巡航性能。这些研究结果为UAM飞行器的设计优化提供了关键的气动数据支撑，有助于解决这类飞行器在低噪声、高效率、过渡飞行稳定性等方面的核心技术难题。

研究中采用的高保真CFD方法能够精准捕捉多旋翼构型中的复杂流动细节与气动相互作用，弥补了低保真工具的局限性，为UAM飞行器的研发提供了可靠的数值模拟手段。未来研究可进一步拓展模拟工况，针对不同飞行姿态、环境条件下的气动特性进行深入分析，并结合实验数据验证数值模型的准确性，为UAM空中出租车的工程化应用奠定坚实基础。

来源：公开信息，要点纵航整理