● 摘要
太阳能无人机因使用清洁无污染的太阳能为动力源而在能源危机背景下受到越来越高的关注。为获取足够高的光照强度和执行有关任务而进入高空作长时间巡航飞行的太阳能无人机对气动效率要求较高。一般而言，太阳能无人机主要依靠螺旋桨来实现在高空常年风场中的可控动力飞行，因此设计出高效的螺旋桨是太阳能无人机实现高空长航时飞行的重要保障。
本文简要梳理了螺旋桨气动理论的发展，并从螺旋桨气动设计的角度概述了部分螺旋桨气动理论的要点。这些要点和结论对于后续的螺旋桨气动设计具有方向性的指导作用。研究建立了适应高空低雷诺数环境的螺旋桨气动设计方法，即在经典的最佳螺旋桨Betz条件基础上，利用以桨叶叶素阻力修正最佳环量分布的方法设计低雷诺数螺旋桨，再以片条理论优化设计桨叶叶素安装角以克服Betz条件忽略诱导角的不足。
针对太阳能无人机对螺旋桨提出的设计要求，对比研究了考虑和不考虑空气粘性效应时的螺旋桨设计。发现计入粘性作用而设计的螺旋桨在高空低雷诺数环境中可以取得更高的气动效率。与此同时，还研究了在几何空间有限的条件下螺旋桨直径与个数如何选择的问题。最后，经过对比分析最终设计确定了满足目标要求的螺旋桨设计参数。
研究了高空螺旋桨气动特性的数值计算方法，对所设计螺旋桨进行了不同工况下的数值计算，对比分析了前进比不同变化形式下的螺旋桨气动特性，并分析了目标设计状况下的螺旋桨流场特性以及不同前进比下的螺旋桨流场特性。
最后本文进行了安装条件下的螺旋桨滑流影响分析。具体而言，研究了螺旋桨滑流与机翼绕流相互干扰的非定常数值计算方法，分析了滑流受机翼阻滞后螺旋桨气动特性的变化，以及滑流周期性的扫过机翼对机翼气动特性带来的影响。