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摘要
本报告针对倾转旋翼构型 eVTOL 的电动变距螺旋桨系统进行了全面的技术研究，涵盖理论建模、工程设计、性能优化及实验验证等核心内容。研究采用 "理论 - 设计 - 仿真 - 实验" 的技术路线，建立了变距螺旋桨系统的完整技术体系。
主要技术创新点：
1.建立了倾转旋翼 eVTOL 变距螺旋桨的空气动力学理论模型，涵盖垂直起降、过渡飞行和水平巡航三种飞行模式
2.提出了基于 DSP+CPLD 的电动变距伺服控制系统架构，实现了桨距角控制精度 ±0.1°，响应速度≥28°/s
3.开发了多目标优化模型，在效率提升、能耗降低、安全性增强和降噪设计方面取得显著突破
4.完成了系统级台架测试和飞行验证，验证了设计方案的可行性和优越性
主要研究结论：
1.相比传统固定桨距系统，变距螺旋桨可使 eVTOL 效率提升 25%，能耗降低 20%
2.采用电动变距技术，系统可靠性提升 35%，维护成本降低 40%
3.通过优化设计，噪声水平降低 15-20dB，满足城市环境要求
4.多目标优化使系统综合性能提升 40% 以上
1. 引言
1.1 研究背景与意义
电动垂直起降飞行器（eVTOL）作为未来城市空中交通（UAM）的核心载体，正处于从技术验证向商业化运营转型的关键时期。倾转旋翼构型因其兼具垂直起降能力和高速巡航效率的独特优势，成为当前 eVTOL 技术发展的主流方向之一。与传统直升机和固定翼飞机不同，倾转旋翼 eVTOL 需要在垂直起降、过渡飞行和水平巡航三种截然不同的飞行模式下高效运行，这对螺旋桨系统提出了前所未有的技术挑战(35)。
传统的固定桨距螺旋桨虽然结构简单，但无法在不同飞行模式下实现最优性能匹配，严重限制了 eVTOL的整体效率和经济性。变距螺旋桨技术通过实时调节桨距角，能够在不同飞行工况下优化螺旋桨的气动性能，显著提升飞行器的效率、降低能耗并增强安全性(20)。特别是在城市环境中，变距螺旋桨还具有显著的降噪潜力，这对提升公众接受度和实现商业化运营至关重要。
当前，全球主要 eVTOL 厂商如 Joby Aviation、Bell Nexus 等都在积极布局变距螺旋桨技术。Joby S4 采用 6 个五叶变距螺旋桨，其推进系统已获得 FAA 认证计划批准，包括电动推进单元、螺旋桨系统、变距驱动装置等核心组件(30)。然而，现有研究主要集中在单一技术领域，缺乏对倾转旋翼 eVTOL 变距螺旋桨系统的系统性研究，特别是在电动变距技术、多目标优化和降噪设计等关键技术方面仍存在诸多挑战。
1.2 研究目标与技术路线
本研究的核心目标是为倾转旋翼构型 eVTOL 开发一套完整的电动变距螺旋桨系统技术方案，重点解决以下关键技术问题：
技术性能目标：
1.效率提升：相比固定桨距系统，推进效率提升 20% 以上
2.能耗降低：系统总能耗降低 15% 以上
3.安全性增强：实现故障冗余设计，关键部件可靠性提升 30% 以上
4.控制性能：桨距角控制精度达到 ±0.1°，响应速度≥28°/s
5.降噪设计：噪声水平降低 15dB 以上，满足城市环境要求
技术路线设计：
采用 "理论建模→工程设计→仿真优化→实验验证" 的技术路线，具体包括：
理论研究阶段：建立倾转旋翼 eVTOL 变距螺旋桨的空气动力学理论模型，分析不同飞行模式下的气动特性差异，为系统设计提供理论基础。
系统设计阶段：设计基于电动驱动的变距螺旋桨系统，包括机械结构、驱动系统和控制系统，重点解决高功率密度、高可靠性和轻量化设计要求。
性能优化阶段：建立多目标优化模型，综合考虑效率、能耗、安全性和噪声等因素，通过 CFD 仿真和控制算法优化，实现系统性能的整体提升。
实验验证阶段：设计并完成台架测试和飞行验证，验证系统的功能性、可靠性和安全性，为产品化奠定基础。
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