通过可变后掠角机翼实现俯仰角与攻角的解耦，从而提升四旋翼飞行器的续航时间

《Scientific Reports》：Decoupling pitch and angle of attack with a variable-incidence wing extends quadrotor flight endurance

　　

摘要

传统升力翼四旋翼飞行器的空气动力效率受到机身俯仰姿态与机翼攻角之间刚性耦合的严重限制，这使得飞行器无法在不同的飞行速度下保持最佳的升阻比。本研究提出了一种新型的可变攻角升力翼四旋翼飞行器，能够有效分离机身姿态与机翼空气动力学特性。该设计采用143克重的轻质升力翼以及双执行器驱动系统，整体结构重量增加仅209克。高精度计算流体动力学模拟表明，可变攻角设计能够有效减少旋翼与机翼之间的不良相互作用。具体而言，当机身俯仰角度为-20°，机翼攻角为10°–12°时，机翼上表面可重新形成较强的吸力峰，从而最大化被动升力。通过系统的飞行实验验证了这种分离控制策略的有效性，结果表明，在10米/秒的飞行速度下，该原型机的最大功率节省率可达42.98%。即便考虑到209克的结构重量增加，该设计的效率仍比原有RflyLW型号的固定攻角设计高出13.22%。借助这些空气动力优化措施，预测分析显示，该无人机的最大飞行时间可延长至46.8分钟，实际飞行范围可达28.1公里。数值预测结果与实验数据高度一致，为在能源受限环境下提升无人机续航能力提供了高效且可靠的解决方案。