無人機(jī)上看似簡單實(shí)則學(xué)問非常大的部件是什么

螺旋槳是指把發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置。在無人機(jī)系統(tǒng)中，屬于動(dòng)力系統(tǒng)的一部分，螺旋槳的性能，以及螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的適配性直接影響到無人機(jī)的飛行性能。

一、螺旋槳工作原理

1、從動(dòng)量角度分析

螺旋槳的旋轉(zhuǎn)平面稱為槳盤面，螺旋槳對流過槳盤面的空氣做功，空氣流經(jīng)槳盤面后動(dòng)量增加，加速的空氣會(huì)對螺旋槳產(chǎn)生反作用力，這個(gè)反作用力就是螺旋槳的推力。

2、從空氣動(dòng)力學(xué)角度分析

螺旋槳可視為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，氣動(dòng)原理與機(jī)翼相同。螺旋槳垂直于槳徑方向的剖面是一個(gè)翼型，稱為螺旋槳葉素。每一個(gè)葉素均會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)力，所有葉素的合力即為螺旋槳的產(chǎn)生氣動(dòng)力，該氣動(dòng)力沿飛行方向的分力即為螺旋槳的推力，沿旋轉(zhuǎn)方向的分力對旋轉(zhuǎn)中心的力矩即為螺旋槳的扭矩。 ? ?

二、螺旋槳幾何參數(shù)

1、 螺旋槳直徑D

螺旋槳直徑是指槳尖所畫圓的直徑。一般而言，螺旋槳的直徑需要通過發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、無人機(jī)飛行速度、槳葉數(shù)目以及螺距綜合確定，螺旋槳直徑的單位一般是英寸。



2、 槳葉數(shù)目

槳葉數(shù)目也是螺旋槳的一個(gè)重要參數(shù)，2葉槳、3葉槳和6葉槳是最常見的螺旋槳。無人機(jī)的螺旋槳一般是2葉槳和3葉槳，例如大鵬系列無人機(jī)采用的都是2葉槳，我國的彩虹系列無人采用的是3葉槳。螺旋槳的槳葉數(shù)目越多，螺旋槳的可吸收的最大功率越大，但是螺旋槳的效率越低，另外隨著槳葉數(shù)目的增加，螺旋槳的重量也會(huì)隨之增加。所以槳葉數(shù)目的選擇需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，在保證具備可以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下，盡可能減少槳葉數(shù)目，以提高螺旋槳的效率。



3、 葉素

螺旋槳垂直于槳葉徑向方向的截面形狀稱為葉素。這和飛機(jī)的機(jī)翼類似，可以認(rèn)為螺旋槳是一個(gè)帶有大扭轉(zhuǎn)角的機(jī)翼。葉素的氣動(dòng)性能直接影響螺旋槳的性能，相同型號的螺旋槳選用的翼型不同，其性能也不同，一般需要通過做大量的計(jì)算和測試來確定螺旋槳的性能。

4、 槳葉寬度b

葉素弦線長度稱為螺旋槳的槳葉寬度b。由于螺旋槳不同位置的效率不同，槳根和槳尖的效率比中部區(qū)域的效率低，因此為了提高螺旋槳的整體效率，中部區(qū)域的弦長一般大于槳尖和槳根的弦長。一般采用弦長與螺旋槳半徑的比值來表示寬度分布，典型的寬度分布如圖所示。



5、螺距

螺旋槳的螺距是指螺旋槳在一個(gè)固定介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離。螺距是由螺旋槳的槳葉角決定的，槳葉角（β）是指葉素弦線與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面的夾角。相同轉(zhuǎn)速(V)下，螺旋槳不同半徑位置的線速度（ωr）不同，導(dǎo)致氣流的方向角(θ)不同，為了使每個(gè)葉素都能在有利迎角（α）下工作，所以槳葉角不是一個(gè)固定值，典型的槳葉角分布如圖所示。

為了滿足不同速度的飛行，可以將螺旋槳設(shè)計(jì)成可變槳距的螺旋槳。在變距機(jī)構(gòu)的控制下，根據(jù)飛機(jī)的飛行速度的變化，改變螺旋槳的螺距，提高螺旋槳的效率。




6、 槳葉厚度C

在任何半徑處葉素的最大厚度 C， 稱為該處槳葉的厚度。為了在保證螺旋槳的強(qiáng)度的前提下盡量減輕重量，螺旋槳的厚度從槳根到槳尖是單調(diào)遞減的。一般用相對厚度（C/b）來表示螺旋槳的厚度分布，典型的厚度分布如圖所示：

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三、螺旋槳分類

無人機(jī)螺旋槳的分類方式有很多。

按用途分類可以分為推進(jìn)螺旋槳和旋翼螺旋槳，推進(jìn)螺旋槳是為飛機(jī)提供平飛所需推力的螺旋槳，旋翼螺旋槳是直接為飛機(jī)提供升力的螺旋槳。旋翼槳與平推槳相比，螺距較小。

按固定方式分類可以分為定距螺旋槳和變距螺旋槳，定距槳的優(yōu)點(diǎn)是不需要變距機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量輕，系統(tǒng)可靠性高。缺點(diǎn)是只能在某一額定飛行速度下發(fā)動(dòng)機(jī)才能達(dá)到最大效率，定距槳最大問題在于不能同時(shí)兼顧爬升和巡航兩個(gè)狀態(tài)的動(dòng)力需求。變距槳的優(yōu)缺點(diǎn)和定距槳相反。目前，定距槳在無人機(jī)上的應(yīng)用較為廣泛。

按動(dòng)力方式可以分為油動(dòng)槳和電動(dòng)槳，油動(dòng)槳是用于油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳，電動(dòng)槳是用于電機(jī)的螺旋槳。兩者最主要的區(qū)別在于槳葉的厚度，油動(dòng)槳相對于電動(dòng)槳來說，槳葉更厚。在螺旋槳選型過程中，應(yīng)該注意區(qū)分油動(dòng)槳和電動(dòng)槳。

發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)方向有順時(shí)針和逆時(shí)針之分，為了匹配不同的旋向，螺旋槳就有了正槳和反槳的區(qū)分。以螺旋槳的迎風(fēng)面為正面，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為正槳，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的為反槳。在螺旋槳選型過程中，應(yīng)該根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)）的旋向選擇正反槳。



螺旋槳按材料分類可以分為鋁合金槳、木制槳、碳纖維槳、尼龍槳等。其中鋁合金槳主要用于有人機(jī)，很少用于無人機(jī)。木制槳一般用櫸木或?qū)影鍋碇圃?，其?qiáng)度比尼龍槳大，價(jià)格比碳纖維槳低，但是重量較大。碳纖維槳是由復(fù)合材料碳纖維制造而成的，優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大，重量輕，但價(jià)格較高。尼龍槳的強(qiáng)度較弱，形變量大，但價(jià)格較低。目前木制槳和碳纖維槳在無人機(jī)中應(yīng)用的較為廣泛，尼龍槳主要用于輕小型無人機(jī)。

四、螺旋槳性能指標(biāo)

螺旋槳的性能指標(biāo)主要有三個(gè)，分別是拉力、吸收功率和效率，其中效率是由拉力和吸收功率決定的。通常用無量綱量拉力系數(shù)和功率系數(shù)來表示拉力和功率，計(jì)算方法如下：

其中，T為拉力、P為螺旋槳吸收功率、ρ為空氣密度、n為螺旋槳轉(zhuǎn)速、D為螺旋槳直徑、J為螺旋槳前進(jìn)比、V為來流速度。 典型的螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能曲線如圖所示：

獲得螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能數(shù)據(jù)的方法有三個(gè)，分別是理論計(jì)算、試驗(yàn)測量和CFD計(jì)算。

1、理論計(jì)算 理論計(jì)算方法有很多，例如動(dòng)量理論、葉素理論等等，目前計(jì)算最為準(zhǔn)確的是片條理論，是在葉素理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。首先求出不同半徑位置葉素的氣動(dòng)力，然后沿徑向積分得到槳葉的氣動(dòng)力，典型的計(jì)算過程如圖所示：



2、實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)測量是在風(fēng)洞中通過力/矩傳感器直接測量螺旋槳不同狀態(tài)的氣動(dòng)力的方法，實(shí)驗(yàn)測試是獲得螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能最準(zhǔn)確的方法，但成本較高。

3、CFD計(jì)算

CFD計(jì)算也是一種最常用的方法，通過數(shù)值仿真計(jì)算得到螺旋槳的氣動(dòng)力。CFD計(jì)算方法不僅可以得到螺旋槳槳的氣動(dòng)性能，還可以通過流場信息，分析螺旋槳和機(jī)體之間的干擾。其計(jì)算成本比實(shí)驗(yàn)測量低，但精度有待進(jìn)一步提高。

五、螺旋槳的選型

螺旋槳的選型需要結(jié)合飛機(jī)氣動(dòng)性能、螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性，做到螺旋槳與飛機(jī)匹配和螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配。首先通過幾何約束，初步選擇一個(gè)螺旋槳直徑范圍，然后選擇合適的螺距及槳葉數(shù)等參數(shù)；其次，根據(jù)螺旋槳參數(shù)評估螺旋槳的氣動(dòng)性能；最后根據(jù)飛機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)、螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載性能數(shù)據(jù)評估螺旋槳是否滿足設(shè)計(jì)需求。

1、 螺旋槳和飛機(jī)匹配

螺旋槳和飛機(jī)匹配是指在給定飛行狀態(tài)下，螺旋槳能夠提供飛機(jī)飛行所需的推力。具體過程如下：

（1） 由飛機(jī)的氣動(dòng)性能確定各個(gè)飛行狀態(tài)的所需推力。

（2） 確定所有備選螺旋槳，以及它們的氣動(dòng)性能，包括不同前進(jìn)比時(shí)的拉力系數(shù)和功率系數(shù)。

（3） 利用不同飛行狀態(tài)的速度確定在該速度時(shí)，不同轉(zhuǎn)速時(shí)螺旋槳的拉力和功率。

（4） 通過發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)最大轉(zhuǎn)速和最大功率確定不同飛行狀態(tài)的可行域。 對于垂直起降的固定翼無人機(jī)，在螺旋槳選型時(shí)，可以主要考慮四種飛行狀態(tài)，分別是巡航、爬升、最大平飛速度飛行和實(shí)用升限飛行。四種飛行狀態(tài)的所需推力可以通過如下公式計(jì)算：




其中，W為重力，γ為爬升角，K為升阻比。

通過下表和上述公式可以確定飛機(jī)不同飛行狀態(tài)的所需推力。

根據(jù)飛機(jī)總體布局的尺寸限制和成品槳的規(guī)格，選擇合適的直徑范圍和螺距范圍。然后通過CFD計(jì)算或片條理論氣動(dòng)計(jì)算程序，以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲得所有備選槳葉在不同前進(jìn)比時(shí)的拉力系數(shù)和功率系數(shù)，再通過拉力系數(shù)和功率系數(shù)計(jì)算出效率。



根據(jù)飛機(jī)的飛行速度，結(jié)合螺旋槳的拉力系數(shù)和功率系數(shù)，計(jì)算螺旋槳在該速度下，不同轉(zhuǎn)速的拉力和所需功率。



根據(jù)不同狀態(tài)的所需推力、發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的限制，確定不同飛行狀態(tài)螺旋槳直徑和螺距的可行域。



2、螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配

螺旋槳與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配主要是指螺旋槳的氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性相匹配，即螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的效率點(diǎn)相匹配，二者均在最佳工作點(diǎn)上。

3、螺旋槳的選型目標(biāo)和評價(jià)方法

螺旋槳選型基本目標(biāo)為在多種飛行性能要求對應(yīng)狀態(tài)下，螺旋槳能夠與飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)匹配。

螺旋槳評價(jià)方法為：按照各飛行性能權(quán)重，基于全機(jī)小時(shí)油耗進(jìn)行評分，選取最優(yōu)槳。

不同類型的飛機(jī)，飛行剖面中主要飛行狀態(tài)不同，性能的關(guān)注點(diǎn)不同。這里通過對巡航、最大平飛速度、爬升、實(shí)用升限等飛行性能選取合適的權(quán)重系數(shù)，對螺旋槳進(jìn)行評分，具體如下:

其中，Score為所有飛行狀態(tài)的總評分，wi為各飛行狀態(tài)對應(yīng)的權(quán)重，T為拉力，V為速度，η為動(dòng)力系統(tǒng)效率，Pgen為發(fā)電機(jī)提取功率，sfc為耗油率。



螺旋槳的選型過程如下：

1、 根據(jù)無人機(jī)總體布局設(shè)計(jì)，確定螺旋槳的直徑范圍，并初步計(jì)算不同直徑和螺距槳在不同前進(jìn)比時(shí)的氣動(dòng)性能；

2、 確定無人機(jī)在不同飛行階段所需的推力，選擇能夠同時(shí)滿足所有飛行條件的螺旋槳；

3、 對待選螺旋槳的性能進(jìn)行計(jì)算和測試，根據(jù)評價(jià)準(zhǔn)則對螺旋槳進(jìn)行評分，選出最優(yōu)的螺旋槳；

4、 通過飛行測試，對螺旋槳性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

六、垂直起降固定翼無人機(jī)螺旋槳

垂直起降固定翼無人機(jī)有很多布局形式，復(fù)合翼布局、尾坐式布局、傾轉(zhuǎn)旋翼布局是三種最常見的布局。無論是哪種布局方式，垂直起降固定翼無人機(jī)都有兩種狀態(tài)，分別是起降時(shí)的旋翼狀態(tài)和平飛時(shí)的固定翼狀態(tài)。其中，尾坐式布局和傾轉(zhuǎn)旋翼布局式無人機(jī)在起降和平飛過程中共用一套螺旋槳?jiǎng)恿Γ鴱?fù)合翼布局無人機(jī)在起降和平飛過程中采用兩套獨(dú)立的螺旋槳?jiǎng)恿Α?br />
旋翼狀態(tài)下來流速度幾乎為零，且需要螺旋槳產(chǎn)生較大的拉力以平衡無人機(jī)自身重力；平飛狀態(tài)下具有較大的來流速度，且只需要螺旋槳產(chǎn)生能夠克服氣動(dòng)阻力（一般為無人機(jī)自身重力的1/10左右）的推力即可。因此無人機(jī)在旋翼狀態(tài)下需要小螺距螺旋槳產(chǎn)生較大的靜拉力；平飛狀態(tài)下所需的推力較小，要求用大螺距螺旋槳保證在有來流條件下能產(chǎn)生足夠的推力，且使螺旋槳始終工作在最佳效率點(diǎn)處。小螺距螺旋槳與大螺距螺旋槳相比，輸入功率相同時(shí)靜拉力更大，所以垂直起降階段應(yīng)該用小螺距螺旋槳；大螺距螺旋槳的最大效率更大，所以平飛階段應(yīng)該用大螺距螺旋槳。

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尾坐式布局和傾轉(zhuǎn)旋翼布局的優(yōu)點(diǎn)是只需采用一套螺旋槳?jiǎng)恿纯赏瑫r(shí)滿足起降和平飛兩種飛行狀態(tài)，缺點(diǎn)是螺旋槳在兩種飛行狀態(tài)下均不在最佳工作點(diǎn)上，因而整體效率低下。雖然通過增加變距機(jī)構(gòu)能夠滿足無人機(jī)對螺旋槳能力和效率的需求，但輕小型無人機(jī)如果加變距機(jī)構(gòu)不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，而且會(huì)嚴(yán)重減低動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制可靠性。

復(fù)合翼布局采用兩套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，缺點(diǎn)是會(huì)增加一定的死重，優(yōu)點(diǎn)是在起降和平飛兩種飛行狀態(tài)下，螺旋槳均能夠工作在最佳效率點(diǎn)處；另外，兩套動(dòng)力獨(dú)立控制，無論是在結(jié)構(gòu)方面還是在控制方面均具有較高的可靠性，且兩套動(dòng)力互為冗余，能夠提升無人機(jī)的整體安全性。

從當(dāng)前無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，復(fù)合翼式布局較尾坐式布局和傾轉(zhuǎn)旋翼布局具有更高的可靠性和更廣泛的應(yīng)用。雖然復(fù)合翼式布局會(huì)存在一定的死重，但通過合理的結(jié)構(gòu)布置，能夠有效減低死重的比例；且高效率螺旋槳從氣動(dòng)方面帶來的好處可以抵消結(jié)構(gòu)死重的影響，同時(shí)復(fù)合翼布局無人機(jī)在可靠性和安全性方面具有更大的優(yōu)勢。

因此，無論從氣動(dòng)效率還是從使用可靠性的角度來看，復(fù)合翼布局無人機(jī)具有更大的優(yōu)勢。

審核編輯：劉清