基于Xfoil-Fluent协同优化的火星多旋翼飞行器翼型快速设计方法与实验验证

为解决火星稀薄大气环境下传统旋翼无法提供足够推力的问题，研究人员采用Xfoil-Fluent协同优化方法和单目标遗传算法(GA)，对TB 5505翼型进行气动特性优化，显著提升升阻比(Cl/Cd)，并通过实验验证优化后旋翼性能，为火星探测飞行器设计提供高效解决方案。

　　

火星稀薄的大气环境（密度仅为地球的1%）对飞行器设计提出严峻挑战。传统旋翼在如此极端条件下难以产生足够推力，而优化翼型是提升旋翼性能的关键。哈尔滨工业大学的研究团队针对这一难题，开发了一种创新的协同优化方法，相关成果发表于《International Journal of Engineering Science》。

研究采用Xfoil（基于边界元法的快速计算工具）与ANSYS Fluent（高精度CFD软件）的嵌套循环策略，结合单目标遗传算法，对火星多旋翼飞行器"MarsBird-V"的翼型进行优化。关键技术包括：1）建立内外双循环优化框架，内环用Xfoil快速评估升力系数(C_l)和阻力系数(C_d)，外环用遗传算法筛选最优参数；2）基于BEMT（叶片元素动量理论）分析旋翼推力特性；3）在雷诺数10³-10⁴范围内进行低雷诺数气动模拟。

【Multi-rotor mars aircraft】
设计四轴八旋翼构型"MarsBird-V"，集成探测系统和轮-旋翼混合动力系统，需在7.58N推力要求下降低功耗。

【Selection of airfoil optimization parameter】
选取TB 5505翼型为基准，通过参数化控制点调整翼型几何特征，以升阻比为优化目标。

【Optimization】
采用精英保留策略的遗传算法，将每个翼型视为个体，经过50代进化获得最优解，计算效率较纯CFD方法提升600倍。

【Analysis of rotor aerodynamic characteristic】
ANSYS Fluent验证显示优化后翼型在r/R=0.3-1.0不同径向位置升阻比提升12.8%-45.2%，其中WKY 6406翼型性能最优。

【Genetic algorithm calculation results】
获得WKY系列5种新翼型，最优工况下功率消耗降低25.6%，品质因数(FM)提升45.2%。

研究表明，Xfoil-Fluent协同优化方法显著提高了火星旋翼设计效率，解决了稀薄大气下气动性能与功耗的矛盾。创新性地采用遗传算法与多尺度仿真相结合的策略，为深空探测飞行器设计提供了新范式。特别值得注意的是，优化后的翼型在低雷诺数(Re<10⁴)条件下表现出独特的层流分离再附着特性，这对理解火星极端环境下的流体力学现象具有重要理论价值。研究成果已应用于"MarsBird-V"原型机开发，将推动我国火星探测装备的技术革新。