研究方向（一）：电动垂直起降飞行器（eVTOL）前沿技术难题突破

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垂直起降电动飞机（eVTOL: electric Vertical Take-off and Landing ）的研究是面向未来绿色航空与低空经济的战略性技术突破，作为国际航空科技竞争的前沿领域，eVTOL以电动化、智能化和分布式推进为核心，融合空气动力学、材料科学、控制理论与能源技术等多学科交叉创新。研究聚焦大型螺旋桨多目标优化设计，通过智能算法协同优化气动效率、噪声抑制与结构轻量化，突破传统飞行器垂直起降与巡航性能难以兼顾的瓶颈；结合碳纤维复合材料、倾转机构与分布式电推进等技术创新，实现动力系统高效集成与全工况自适应控制。

面向中国低空经济，eVTOL可赋能城市空中交通（UAM）、应急救援、智慧物流等场景，有效缓解地面交通压力、提升区域联通效率。其低噪音、零排放特性契合“双碳”目标，而智能化设计（如数字孪生与冗余控制）可保障复杂环境下的安全运行。当前中国低空开放政策加速落地，亟需通过自主技术研发抢占标准制定权与产业链高地，推动“低空+”新业态与万亿级产业集群形成，为交通强国与智慧城市提供核心支撑。

    

电动垂直起降飞行器（eVTOL）当前面临的前沿技术难题：

1. 动力系统与推进布局优化

• 混合动力与分布式推进：采用油电混合动力系统（电动机+燃油发动机），提升续航与载重能力，同时通过多旋翼布局提高冗余性和安全性。  

• 分布式电推进（DEP）：多个小型电动机与螺旋桨分布在机翼或机身，降低单点故障风险，优化推力分配，提升垂直起降与巡航效率。  

2. 分层递进设计优化方法

• 基于任务剖面动态调整动力参数，结合静态优化与功率匹配，降低系统总质量并提升续航能力（通过能量转换模型优化电机、螺旋桨与机翼的协同设计）。

3. 气动性能与结构设计

• 多工况气动优化：针对垂直起降（悬停）与水平飞行（巡航）的冲突需求，采用空气动力学仿真（CFD）与遗传算法优化螺旋桨参数。优化桨叶扭角、弦长分布以兼顾低雷诺数悬停效率与高速巡航性能。  

• 倾转机构与过渡机制：可通过旋转发动机吊舱实现姿态切换， 或者倾转整体机翼设计。  

4. 复合材料与轻量化结构

• 采用碳纤维等复合材料降低螺旋桨重量，结合拓扑优化技术提升结构强度。

• 结合涵道风扇设计通过一体化制造降低阻力并提高升力效率。

5. 智能控制与多目标优化算法

• AI驱动的飞行控制： 结合强化学习与动态路径规划，实时调整螺旋桨推力分配与倾转角度。

• 冗余与容错控制：每个机翼配备多旋翼组件，保证单个故障时仍可保持安全飞行。  

6. 遗传算法与多目标优化

• 结合以起飞重量、航程、升阻比等为目标，采用加权目标法或分级优化策略（如通过多目标遗传算法优化飞机总体参数，平衡性能与成本）

7. 噪声抑制与隐身设计

• 低频噪声主动控制： 通过螺旋桨叶片形状优化和复合材料层合设计降低气动噪声（或者结合涵道风扇设计进一步减少噪声传播）。  

• 透波材料与隐身集成：采用透波材料机翼，螺旋桨可收纳入凹槽以减少雷达反射，结合电动发动机的低噪声特性实现准隐身。

8. 能源管理与环境适应性

• 高效电池与充电技术：采用高能量密度固态电池或氢燃料电池，结合网络实现区域飞行覆盖的能源管理。  

• 极端环境适应性：动力系统需满足高低温、湿度、腐蚀性等复杂环境要求（如通过冗余设计提升电机在湿热条件下的可靠性）。

9. 仿真验证与实验技术

• 多物理场耦合仿真：结合流场、结构场与声场的耦合分析，验证螺旋桨在不同工况下的综合性能。  

• 缩比模型试验：通过风洞与水洞试验验证推力与噪声预测，如JDC飞行器的敞水试验数据支撑其气动设计。

10. 未来趋势

• 数字孪生与全生命周期优化：通过实时数据监控与动态调整，实现螺旋桨性能的持续优化。  

• 绿色化与低成本制造：简化结构设计（如3D打印技术）降低生产成本，推动eVTOL在城市空中出行（UAM）中的普及。

以上技术方向体现了当前垂直起降电动飞机螺旋桨多目标优化的核心进展，需结合具体应用场景（如军用、商用或城市交通）选择适配方案。

结合电动飞机发展动态，规划了以下几个课题，感兴趣的同学可以联系我们课题组（zhaolin_chen@nuaa.edu.cn）：

课题一. 《面向多模态飞行器的电机-螺旋桨智能匹配技术及应用研究》（愿意编程的学生优先考虑）

• 研究内容
  

    1. 多模态飞行器电机-螺旋桨匹配模型构建：针对多模态飞行器的特殊需求，研究电机与螺旋桨在不同飞行模式下的匹配关系，建立精确的数学模型，考虑气动、结构、控制等多方面因素的影响，以描述两者之间的复杂相互作用。

    2. 基于机器学习的电机-螺旋桨智能匹配算法开发：结合飞行数据和数值模拟结果，运用机器学习方法开发智能匹配算法。通过深度神经网络、遗传算法等技术，实现对电机和螺旋桨参数的自动优化匹配，提高匹配效率和精度，适应多模态飞行器的多样化飞行任务。

    3. 多模态飞行器电机-螺旋桨智能匹配系统集成与验证：设计并实现一个集成化的智能匹配系统，将匹配模型和算法嵌入其中。在实际飞行器平台上进行系统集成，开展飞行试验，验证智能匹配技术在不同飞行模式下的性能和可靠性，收集数据以进一步优化系统。

• 研究目标

    1. 构建适用于多模态飞行器的电机-螺旋桨精确匹配模型，深入理解两者在不同飞行状态下的协同工作机制。

    2. 开发高效的基于机器学习的智能匹配算法，实现电机和螺旋桨参数的自动优化，提高飞行器的性能和效率。

    3. 集成智能匹配系统并完成飞行验证，展示其在多模态飞行器上的应用潜力和优势，推动该技术在电动航空领域的实际应用。

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何准确建模电机与螺旋桨在多模态飞行器中的复杂匹配关系，考虑多物理场耦合和非线性因素的影响。

    2. 如何利用机器学习技术从大量飞行数据中提取有效信息，实现电机和螺旋桨参数的智能优化匹配，提高匹配的准确性和适应性。

    3. 如何在实际飞行器平台上实现智能匹配系统的可靠集成和有效验证，确保其在不同飞行模式下都能稳定工作并发挥预期作用。

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课题二：《电动飞机多工况螺旋桨气动优化设计技术研究》（优先考虑懂编程的学生）

• 研究内容

    1. 螺旋桨多工况气动优化设计方法研究：针对螺旋桨在悬停、巡航及斜流状态下的气动性能需求，开展多目标优化设计方法研究。重点分析桨叶扭角分布、弦长设计等参数对不同工况性能的影响，建立考虑气动效率、升力、阻力等多目标的优化模型，探索各参数之间的权衡关系，为螺旋桨的优化设计提供理论指导。

    2. 螺旋桨斜流状态气动性能提升技术研究：深入研究螺旋桨在倾转过渡阶段的斜流状态气动特性。通过高精度CFD仿真技术模拟非对称气流下的流场分布，分析局部失速产生的原因及对效率的影响。结合遗传算法等优化方法对桨叶几何参数进行优化调整，同时探索改进的动态流场建模方法，提高建模精度，以有效提升螺旋桨在斜流状态下的气动性能。

    3. 螺旋桨气动力性能实验测量：后续与课题组老师们一起讨论开展此项工作。

• 研究目标

    1. 提出一套完整的电动飞机螺旋桨多工况气动优化设计方法，明确桨叶扭角分布、弦长设计等关键参数对不同工况性能的影响规律，建立优化模型并形成设计指南，提高螺旋桨在悬停和巡航工况下的气动效率。

    2. 基于现有的高精度CFD仿真与遗传算法相结合优化技术（包括部分程序优化和开发），提升电动飞机螺旋桨在斜流状态下的气动性能，优化局部失速引起的气动效率损失，同时改进动态流场建模方法。

  

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何准确建立考虑多工况需求的螺旋桨气动优化设计模型，合理权衡悬停与巡航性能之间的矛盾，确定桨叶扭角分布、弦长设计等参数的最优组合，以实现不同工况下的气动效率最大化。

    2. 在螺旋桨斜流状态气动性能提升中，如何通过高精度CFD仿真与优化算法的有效结合，精确模拟非对称气流下的流场分布，深入理解局部失速机制，并找到有效的几何参数优化方案，同时解决动态流场建模精度不足的问题，为螺旋桨性能提升提供可靠的技术支持。

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课题三：《电动飞机涵道螺旋桨低频气动噪声综合抑制技术研究》（此课题难度较高，优先考虑有螺旋桨设计经验的学生）

• 研究内容（研究内容可以三选一，确保研究的深入）

    1. 涵道螺旋桨低频气动噪声产生机制及涵道设计降噪原理研究：深入探究电动飞机涵道螺旋桨在高速旋转时低频气动噪声的产生源头与传播路径，重点关注桨尖涡噪声等宽频噪声的形成机理。同时，系统研究涵道式螺旋桨的设计原理，分析其如何通过改变气流路径、增加气动阻尼等方式降低噪声传播，为后续的优化设计提供坚实的理论基础。

    2. 基于复合材料层合结构的涵道螺旋桨振动噪声源抑制技术研究：聚焦于复合材料的特性，开展层合结构设计以有效抑制振动噪声源。通过研究不同复合材料的组合、铺层方式以及结构形式对振动传递和噪声辐射的影响，开发出具有高阻尼、低振动特性的桨叶结构，从源头上减少噪声的产生，提升电动飞机的降噪性能。

    3. 涵道螺旋桨一体化降噪系统集成与优化研究：将涵道设计与复合材料层合结构等降噪技术进行有机集成，构建一体化的降噪系统。运用系统工程的方法，对整个降噪系统进行协同优化，确保各降噪措施之间相互配合、相互增强，实现整体降噪效果的最大化。同时，开展大量的模拟计算和实验验证，不断优化系统参数，提高其在实际飞行工况下的降噪效能。

• 研究目标

    1. 揭示电涵道螺旋桨低频气动噪声的产生和传播规律，建立涵道设计降噪的理论体系，为后续的优化设计提供准确的理论指导。

    2. 成功开发出基于复合材料层合结构的振动噪声源抑制技术，提升电动飞机的降噪效果，同时确保桨叶的结构强度和刚度满足飞行安全要求。

    3. 构建并优化涵道螺旋桨一体化降噪系统，通过系统集成和协同优化，达到城市空中交通（UAM）的噪声标准要求，为电动飞机在城市环境中的广泛应用提供技术支持。

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何精确揭示涵道螺旋桨低频气动噪声的产生机制，以及涵道设计如何有效地降低噪声传播，解决理论建模与实际噪声降低效果之间的匹配问题，为优化设计提供准确的理论依据。

    2. 在基于复合材料层合结构抑制振动噪声源的研究中，如何确定最佳的材料组合、铺层方式和结构形式，以实现高阻尼、低振动的特性，同时兼顾桨叶的结构性能和 manufacturability，解决复合材料层合结构设计中的多目标优化问题。

    3. 如何将涵道设计与复合材料层合结构等降噪技术进行有效的系统集成与优化，解决各降噪措施之间的相互影响和协同作用问题，实现一体化降噪系统的最优性能，确保其在不同飞行工况下的稳定性和高效性。

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课题四：《基于复合材料与拓扑优化的螺旋桨轻量化设计技术研究》（此课题难度较高，优先考虑有螺旋桨结构设计经验的学生，尤其是复合材料螺旋桨设计）

• 研究内容（研究内容可以三选一or二，确保研究的深入）

    1. 复合材料在螺旋桨轻量化设计中的应用研究：研究碳纤维等复合材料的特性，探索其在螺旋桨制造中的应用方法。通过优化复合材料的铺层方式和结构形式，降低螺旋桨的重量，同时保持或提升其结构强度和刚度，为螺旋桨的轻量化设计提供材料支持。

    2. 基于拓扑优化技术的螺旋桨结构优化研究：运用拓扑优化算法，对螺旋桨的结构进行优化设计。通过合理分布材料，去除不必要的结构部分，在保证螺旋桨强度和刚度的前提下，最大限度地减轻螺旋桨的重量，提高其轻量化性能。

    3. 涵道风扇与一体化制造技术在螺旋桨轻量化中的应用研究：结合涵道风扇设计，研究一体化制造技术如何降低螺旋桨的空气阻力并提高升力效率。通过优化涵道与螺旋桨的集成设计，减少部件间的间隙和连接处的阻力，同时利用一体化制造提高结构的整体性和轻量化程度。

• 研究目标

    1. 掌握碳纤维等复合材料在螺旋桨轻量化设计中的应用技术，在保真螺旋桨强度和刚度满足飞行要求的前提下，清晰降低螺旋桨质量的关键参数。

    2. 运用拓扑优化技术对螺旋桨结构进行优化，使螺旋桨在保证结构性能的前提下，提升其轻量化水平。

    3. 实现螺旋桨与涵道的一体化轻量化设计，为飞行器的性能提升提供技术支持。

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何合理选择和应用碳纤维等复合材料，解决其在螺旋桨制造过程中的工艺难题，确保复合材料螺旋桨在轻量化的同时具备足够的结构强度和耐久性，满足飞行器的使用要求。

    2. 在基于拓扑优化技术的螺旋桨结构优化中，如何准确建立优化模型，合理设置约束条件和目标函数，解决优化过程中可能出现的局部最优、计算收敛等问题，确保得到的拓扑优化结果既能有效减轻重量，又能保证结构的力学性能。

    3. 如何实现涵道风扇与螺旋桨的一体化轻量化设计，解决一体化制造过程中的技术瓶颈，如材料选择、制造工艺、结构连接等，确保涵道与螺旋桨之间的协同工作，提高整体的气动性能和轻量化效果，同时降低制造成本和复杂度。

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课题五：《多保真度倾转螺旋桨多目标优化设计与程序开发》（此课题难度很高，优先考虑有螺旋桨设计经验、编程经验、文章撰写经验的学生，如果研究生确实能力过硬的，考虑推荐博士继续深造）

• 研究内容

    1. 多目标优化设计方法研究：针对倾转螺旋桨在垂直起降与水平飞行工况下的性能冲突，开展多目标优化设计方法研究。重点分析桨叶扭角、弦长分布等参数对不同工况性能的影响，建立考虑气动效率、结构质量等多目标的优化模型，探索各参数之间的权衡关系，为螺旋桨的优化设计提供理论指导。

    2. 多保真度建模与仿真技术开发：研究多保真度建模技术，结合高精度CFD仿真与快速低保真度估算方法，开发适用于倾转螺旋桨优化设计的仿真平台。通过合理分配计算资源，提高优化效率，同时确保结果的准确性。

    3. 倾转螺旋桨优化设计程序开发：基于课题组已有的螺旋桨设计与优化程序，结合上述研究成果，完善现有程序：集成多目标优化、多保真度建模与仿真的倾转螺旋桨优化设计程序。实现从参数输入、优化计算到结果可视化的全流程自动化，提高设计效率，降低设计成本。

• 研究目标

    1. 提出一套完整的倾转螺旋桨多目标优化设计方法，明确桨叶扭角、弦长分布等关键参数对不同工况性能的影响规律，建立优化模型并形成设计指南，提升螺旋桨在垂直起降和水平飞行工况下的气动效率的同时降低螺旋桨的结构重量（甚至包括降低噪声水平）。

    2. 开发出高精度且高效的多保真度建模与仿真技术，将高保真度CFD仿真与快速低保真度估算方法相结合，使仿真平台在保证结果准确性的前提下，提高计算效率。

    3. 成功研制出倾转螺旋桨优化设计程序，实现多目标优化、多保真度建模与仿真的集成，通过实际案例验证程序的可靠性与实用性，为飞行器设计提供有力工具。

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何准确建立考虑多工况需求的倾转螺旋桨多目标优化设计模型，合理权衡垂直起降与水平飞行性能之间的矛盾，确定桨叶扭角、弦长分布等参数的最优组合，以实现不同工况下的综合性能最大化。

    2. 在多保真度建模与仿真技术开发中，如何有效融合高精度CFD仿真与快速低保真度估算方法，确保模型在不同保真度下的结果一致性，同时提高计算效率，解决多保真度模型之间的数据传递与校准问题。

    3. 如何开发出集成多目标优化、多保真度建模与仿真的倾转螺旋桨优化设计程序，解决程序的用户界面设计、参数输入输出、优化算法调用、结果可视化等关键问题，确保程序的稳定性和易用性，使其能够真正服务于实际飞行器设计。

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研究方向（二）：火星直升机设计

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陆-空协同探测开创了火星探索的新范式，通过地面巡视器与空中直升机的多维联动，实现探测效率与科学产出的指数级提升。以NASA机智号为例（旋翼转速2400rpm，悬停时间90秒），直升机突破地形限制，在稀薄大气（密度仅为地球1%）中完成3D地形建模（分辨率0.1米），为毅力号规划安全路径并锁定裸露岩层；其搭载的高光谱成像仪（400-1000nm波段）与巡视器的激光诱导击穿光谱仪（LIBS）形成数据闭环，实现对杰泽罗陨石坑沉积层的"空中筛查-地面精析"立体研究。中国未来探火任务或将融合垂直起降无人机技术，攻克10米/秒阵风扰动下的自适应飞控算法，配合地面探测器构建"厘米级局部采样+千米级区域普查"的探测网络。这种协同模式不仅大幅扩展探测半径（直升机单次飞行覆盖距离达700米），更能通过实时中继传输（UHF频段10Mbps速率）优化任务决策，为寻找水冰分布、解析地质分层提供关键支撑。陆空联动的技术突破——如超轻碳纤维旋翼（机智号仅重1.8kg）、地-空自主避障系统——更将推动深空探测机器人技术向智能化、集群化演进，为载人火星基地建设中的资源勘探与应急响应奠定技术基础。

中国首辆火星车“祝融号”于2021年5月15日成功着陆于火星北半球的乌托邦平原南部。祝融号的发现将火星液态水证据从极地扩展至中低纬度宜居带，为研究火星气候演变和未来改造提供了关键数据。中国后续计划通过“天问三号”任务（预计2028-2030年）实现火星采样返回，并规划2045年后的载人探测，进一步深化对火星资源的认知与利用。	NASA喷气推进实验室（JPL）耗时7年开发了专门的风洞设施，模拟火星大气密度（仅为地球的1%）和引力（地球的1/3）。测试中，旋翼系统以每分钟2500转的超高转速运转（远超地球直升机300-500转/分钟的常规转速），验证其在稀薄大气中产生足够升力的能力。实验室还通过真空低温舱模拟火星夜间-90℃的极端温度，测试碳纤维结构、锂电池及电子元件的耐寒性，并验证加热器和恒温系统的有效性。
祝融号火星车与着陆器	美国机智号直升机火星上成功首飞
低压低密度实验舱（1号）	低压低密度低温实验舱（2号）

火星直升机作为深空探测的前沿技术，其设计与应用面临多重技术瓶颈与科学挑战：

1. 火星稀薄大气环境下的旋翼桨叶推力设计  

• 火星大气密度仅为地球的1%，且主要成分为二氧化碳，传统直升机设计无法适用，需考虑超低低雷诺数问题。  

• 旋翼桨叶高旋转问题：NASA机智号采用双共轴反转旋翼，设计转速达2500-2900rpm（地球直升机约300-500rpm），以产生足够推力。而在真实火星环境下，机智号直升机桨叶转速提升至3500rpm左右用以增强效率。  

2. 极端环境适应性  

• 温度波动：火星昼夜温差达190℃（-120℃至70℃），电子元件需耐寒设计。如“机智号”依赖锂电池保温，维持设备在-15℃以上工作。  

• 沙尘影响：沙尘暴覆盖太阳能板降低充电效率，并可能损坏机械结构。例如，2022年“祝融号”因沙尘暴进入休眠。 “机智号” 因产时间火星风沙侵蚀下发生桨叶断裂。

3. 能源与续航限制 

•  太阳能依赖：火星光照强度仅为地球一半，充电效率受限。“机智号”需6小时充满电，支持单次90秒飞行，每日仅能飞行一次。  

•  核动力替代方案：未来设计或需采用核电池（如钚-238同位素热电机）以提升续航，但技术复杂度和成本较高。  

4. 自主导航与通信延迟  

•  完全自主飞行：地球与火星通信延迟达16分钟，直升机需实时处理传感器数据。例如，“机智号”搭载高通骁龙801芯片，每秒处理500次导航数据，通过黑白相机构建地形模型。  

•  避障算法：火星地形复杂，需AI算法在0.5秒内识别数千地形特征点，确保安全着陆与路径规划。  

5. 结构与材料轻量化 

•  重量限制：火星重力为地球38%，但推力需求更高。“机智号”整机仅1.8kg，采用碳纤维旋翼（翼展1.2米）和轻量化支架。  

•  载荷能力提升：下一代直升机设计六旋翼系统，载荷提升至5kg，飞行距离达3公里，但需进一步优化结构强度。  

6. 发展方向

• 技术迭代：研发冗余导航系统（如多模态AI融合视觉、触觉数据）、新型能源方案（核动力+太阳能互补），以及抗沙尘涂层。  

• 科学载荷升级：集成更精密仪器（如质谱仪、钻探装置），实现“空中筛查-地面精析”协同探测。  

• 集群化与智能化：多架直升机协同作业，扩大探测范围并提升数据采集效率，如NASA计划在2030年代部署两架直升机参与样本返回任务。  

火星直升机的技术突破与科学成果，不仅深化了人类对红色星球的认识，也为深空探测机器人技术的智能化、自主化发展提供了重要参考。

面向中国探火工程的重大需求，规划了以下几个课题，感兴趣的同学可以联系我们课题组（zhaolin_chen@nuaa.edu.cn）：

课题一：《Multi-Fidelity Multi-Objective Aerodynamic Optimization of Hovering Rotor Blades: A Hybrid Framework for Efficiency and Robustness》（旋翼桨叶/螺旋桨空气动力学基础+会编程+能撰写文章的学生优先）

• 研究背景：悬停桨叶的优化需平衡气动效率、结构强度与噪声等多目标，传统单保真度模型存在计算成本高或精度不足的局限。  
  

• 创新点：提出一种结合低保真度（CFD快速模型）与高保真度（实验验证或高精度CFD）的多保真度优化框架，集成多目标遗传算法，实现高效全局优化。  

• 关键成果：优化后的桨叶在悬停效率提升的同时，振动强度降低，验证了多保真度策略的鲁棒性。

• 研究内容
  

    1. 多保真度建模与仿真技术研究：针对火星直升机桨叶的多目标优化设计，研究多保真度建模方法。结合高精度的CFD仿真和快速的低保真度估算模型，开发适用于火星环境的桨叶气动性能预测技术，提高计算效率和结果的准确性。

    2. 基于多目标优化的火星直升机桨叶设计方法研究：考虑火星大气环境的特殊性，开展桨叶的多目标优化设计。重点优化桨叶在不同飞行条件下的气动效率和结构性能，通过权衡不同目标，找到最优的桨叶设计方案。

    3. 多保真度 - 多目标优化算法的应用与验证：将多保真度建模与多目标优化算法相结合，开发适用于火星直升机桨叶优化的计算程序。通过实际案例验证该方法的有效性，为火星直升机的设计提供技术支持。

• 研究目标

    1. 建立适用于火星直升机桨叶的多保真度建模方法，使高保真度CFD仿真与低保真度估算模型在结果上具有一致性，提高计算效率。

    2. 提出一套完整的基于多目标优化的火星直升机桨叶设计方法，使桨叶在不同飞行条件下的在提高气动效率的前提下，降低结构质量。

    3. 基于现有程序（开发多保真度 - 多目标优化设计程序所需的子模块），通过实际案例验证其在火星直升机桨叶优化中的有效性，为飞行器设计提供新的技术手段。

• 拟解决的关键科学问题

    1. 如何在火星环境下准确建立多保真度模型，解决高保真度CFD仿真计算量大和低保真度模型精度不足的问题，确保模型在不同保真度下的结果一致性。

    2. 在多目标优化中，如何合理权衡桨叶的气动效率和结构性能等目标，找到最优的桨叶设计方案，解决多目标之间的冲突和权衡问题。

    3. 如何将多保真度建模与多目标优化算法有效结合，开发出适用于火星直升机桨叶优化的计算程序，解决程序的算法实现、参数设置和结果验证等关键问题。

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课题二：《Design of a Transonic-Low Reynolds Airfoil Using Hybrid Optimization Approach》（学会流动机理分析+翼型气动性能优化的学生）

研究内容一：跨音速低雷诺数流动特性建模与多目标优化准则构建  

• 研究目标：建立跨音速与低雷诺数耦合流动的高精度数值模型，明确气动性能优化的关键参数与约束条件。  

• 关键科学问题：  

        1. 如何准确捕捉跨音速激波与低雷诺数流动分离的耦合效应？  

        2. 如何平衡升阻比、失速特性等多目标优化的矛盾需求？  

• 技术路线：  

        1. 采用高精度CFD方法（如RANS/LES结合转捩模型）模拟跨音速低雷诺数流动；  

        2. 通过参数敏感性分析，提取关键设计变量（如弯度、最大厚度位置、前缘半径）；  

        3. 基于Pareto前沿理论构建多目标优化函数，结合实验数据修正模型误差。  

研究内容二：混合优化算法的协同机制设计与高效求解  

• 研究目标：开发基于遗传算法与梯度优化（如伴随法）的混合策略，提升全局搜索能力与计算效率。  

• 关键科学问题：  

        1. 如何实现智能算法的全局探索与梯度算法的局部寻优的动态协同？  

        2. 如何降低高维设计空间与多物理场耦合带来的计算成本？  

• 技术路线：  

        1. 设计两阶段混合框架：遗传算法初筛潜力解，伴随法精细化调参；  

        2. 引入代理模型（如Kriging、神经网络）加速CFD计算；  

        3. 验证算法在基准翼型（如NACA64系列）上的收敛性。  

研究内容三：多工况鲁棒性设计与实验验证  

• 研究目标：确保优化翼型在复杂工况（攻角变化、雷诺数波动）下的鲁棒性，并通过风洞实验验证性能。  

• 关键科学问题：  

        1. 如何量化气动性能对流动条件不确定性的敏感度？  

        2. 如何通过设计优化抑制激波振荡与流动分离的非定常特性？  

• 技术路线：  

        1. 基于蒙特卡洛方法评估翼型在扰动工况下的性能稳定性；  

        2. 在优化目标中引入鲁棒性指标（如标准差约束）；  

目前已经完成的优化算法程序，图中为优化后的翼型气动性能比对。

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课题三：《Numerical and Experimental Insights into Low Reynolds Number Compressible Aerodynamics of Rotor Blades 》（优先考虑有过螺旋桨实验测量经验的学生）

研究内容一：低雷诺数可压缩流动的动态失速与流动分离机理研究  

• 研究目标：揭示低雷诺数（Re < 10⁵）可压缩流动条件下，桨叶叶片表面动态失速的触发机制及流动分离特性，建立高精度预测模型。  

• 关键科学问题
  

        1. 低雷诺数下可压缩流动中，层流分离泡的形成、稳定性及其对气动力突变的调控机制。  

        2. 动态失速过程中激波与边界层相互作用的非线性响应特性。  

        3. 可压缩性对转捩（层流-湍流转捩）过程的影响及其与流动分离的耦合关系。  

• 技术路线 

        1. 数值模拟：采用高精度CFD方法（DES或LES）模拟桨叶低雷诺数可压缩流动，分析分离涡结构的时空演化。  

        2. 实验验证：基于已搭建的低压低密度实验舱，采用传感器测量、采集桨叶悬停气动力变化。  

研究内容二：低雷诺数可压缩流动中的气动性能优化与层流分离控制技术 

• 研究目标：开发适用于低雷诺数可压缩流动的桨叶叶片气动优化设计方法，探索主动/被动流动控制技术对性能的提升效果。  

• 关键科学问题

        1. 低雷诺数可压缩条件下，翼型几何参数（如弯度、厚度分布）对气动效率的影响规律。  

        2. 流动控制装置（如微型涡流发生器、表面微结构等）对转捩位置和分离涡结构的调控机制。  

        3. 可压缩效应与流动控制技术的协同作用机理。  

• 技术路线

        1. 桨叶参数化优化：采用混合优化方法：遗传算法或伴随方法优化翼型几何+响应面优化方法（桨叶平面形状），结合CFD计算评估气动性能（升阻比、失速延迟）。  

  

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课题四：《基于多物理场耦合的火星直升机旋翼桨叶颤振边界预测及不确定性量化研究 》（优先考虑有螺旋桨实验测量经验的学生）

（研究内容二选一，确保研究的深入）

研究内容一：火星环境下旋翼桨叶多物理场耦合建模与颤振机理分析  

• 研究目标：建立火星低密度大气、极端温度变化与旋翼气动弹性耦合的动力学模型，揭示火星环境对颤振边界的动态影响机制。  

• 关键科学问题 

        1. 低密度大气（地球大气密度的1%）与高转速旋翼之间的气动弹性耦合特性；  

        2. 火星昼夜温差（-80℃至20℃）导致的材料力学性能非线性变化对颤振临界速度的影响。  

• 技术路线 

        1. 基于非定常CFD与结构动力学耦合的数值模型，模拟旋翼在火星大气中的流固相互作用；  

        2. 引入温度梯度场，分析材料热变形对旋翼模态频率的时变影响；  

        3. 通过特征值分析法确定颤振边界，对比地球与火星环境的参数敏感性差异。

研究内容二：火星旋翼地面模拟实验与颤振边界验证 （基于已有的实验舱） 

• 研究目标：构建火星环境地面模拟实验平台，验证理论模型的准确性并标定关键不确定性参数。  

• 关键科学问题  

        1. 如何在地面实验中复现火星低密度大气（等效真空度）与低重力（0.38g）的复合环境；  

        2. 实验数据与仿真模型之间的误差来源及不确定性量化方法。  

• 技术路线

        1. 基于低压低密度实验舱，结合悬吊配重模拟火星低重力条件；  

        2. 采用高精度光纤应变传感器与高速PIV技术同步测量旋翼动态响应与流场特性；  

        3. 基于贝叶斯反演方法，融合实验数据修正理论模型参数（如气动阻尼系数、结构刚度）。

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课题五：《火星直升机旋翼低压低温CO₂气动实验舱研制与测试研究》（优先考虑有螺旋桨实验测量经验的学生）

（研究内容三选一，提升现有实验平台测量精度）

研究内容一：火星环境多参数耦合模拟实验舱设计与实现  

• 研究目标：研制可精确模拟火星表面低气压（约600 Pa）、低密度（CO₂为主）、低温（-80℃至20℃）环境的实验舱，实现旋翼气动力测量的多物理场耦合复现。  

• 关键科学问题

        1. 低压、低温、CO₂介质三者协同控制的动态稳定性问题；  

        2. 实验舱内流场均匀性与边界层效应对旋翼气动力测量精度的影响。  

• 技术路线 

        1. 基于火星热力学模型设计舱体结构，采用多层绝热材料与液氮循环制冷系统实现超低温维持；  

        2. 开发基于真空泵组与CO₂气体注入的联合调压系统，精确控制舱内压力与气体密度；  

        3. 通过CFD仿真优化舱内流场分布，设计蜂窝导流板与湍流抑制装置降低测量干扰。

研究内容二：极端环境下旋翼气动力高精度动态测量技术  

• 研究目标：探索低密度CO₂环境中旋翼气动力（升力、扭矩、振动）动态测量的技术路径，致力于提升极端环境下的力测量分辨率趋近于微牛级，响应速度逼近毫秒级。

• 关键科学问题  

        1. 低温（-80℃）导致的传感器热漂移与材料脆性失效问题；  

        2. 低雷诺数（Re＜10⁴）CO₂流场中微小气动力的噪声抑制与信号提取方法。  

• 技术路线 

        1. 研制耐低温六维力传感器（硅基MEMS与碳纤维复合材料集成），采用原位温度补偿算法消除热误差；  

        2. 开发基于激光多普勒测振（LDV）与纹影成像的多模态同步测量系统，捕捉旋翼动态变形与流场涡结构；  

        3. 结合锁相放大技术与深度学习降噪算法，提升低信噪比环境下的数据可靠性。

研究内容三：实验数据与理论模型的协同验证及不确定性分析  

• 研究目标：建立实验数据与火星旋翼气动力理论模型的联合标定框架，量化环境参数波动对测量结果的敏感性影响。  

• 关键科学问题

        1. 地面模拟环境与真实火星大气（含沙尘、湍流）的等效性映射关系；  

        2. 多源误差（舱壁效应、传感器非线性）的耦合传播机制与修正模型。  

• 技术路线

        1. 基于相似准则（马赫数、雷诺数、密度比）设计缩比实验方案，构建实验-数值仿真（LES/DES）对比数据库；  

        2. 采用贝叶斯反演算法融合实验数据修正气动系数模型，量化温度-压力耦合不确定性区间；  

        3. 通过蒙特卡罗方法评估舱内流场扰动对测量结果的置信度影响，提出误差补偿策略。