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科普 垂直起降固定翼無人機螺旋槳簡介

時間:2020-12-14 9:40:43編輯:未知來源:互聯網欄目:國內資訊點擊數(0)已有0人評論 加入收藏

小編曾向幾位研發同學提出一個問題:“無人機上,看似簡單,實則學問非常大的部件是什么?”幾人統一回復:“螺旋槳”。

從小編非專業的角度看,談論各種機型,實際是在談論螺旋槳布局。特別是針對垂直起降固定翼無人機,螺旋槳如果安裝錯誤,連起飛都是問題。


CW-007大鵬無人機,通過顏色區分螺旋槳,防止誤插


螺旋槳如何分類、如何選擇、如何布局更優……小編邀約了研發部門的小帥哥,為大家解讀。

文章較長(超4000字),圖片較多,非專業人士(比如小編)直接勸退……




螺旋槳是指把發動機或電機的旋轉軸功率轉化為推進力的裝置。在無人機系統中,屬于動力系統的一部分,螺旋槳的性能,以及螺旋槳與發動機或電機的適配性直接影響到無人機的飛行性能。

本文將從螺旋槳工作的原理、幾何參數、分類、性能指標等方面,介紹垂直起降固定翼無人機螺旋槳。

一、螺旋槳工作原理

1、從動量角度分析

螺旋槳的旋轉平面稱為槳盤面,螺旋槳對流過槳盤面的空氣做功,空氣流經槳盤面后動量增加,加速的空氣會對螺旋槳產生反作用力,這個反作用力就是螺旋槳的推力。

 


2、從空氣動力學角度分析

螺旋槳可視為一個旋轉的機翼,氣動原理與機翼相同。螺旋槳垂直于槳徑方向的剖面是一個翼型,稱為螺旋槳葉素。每一個葉素均會產生氣動力,所有葉素的合力即為螺旋槳的產生氣動力,該氣動力沿飛行方向的分力即為螺旋槳的推力,沿旋轉方向的分力對旋轉中心的力矩即為螺旋槳的扭矩。

 


二、螺旋槳幾何參數

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動機功率、轉速、無人機飛行速度、槳葉數目以及螺距綜合確定,螺旋槳直徑的單位一般是英寸。

 

2、 槳葉數目NB

槳葉數目也是螺旋槳的一個重要參數,2葉槳、3葉槳和6葉槳是最常見的螺旋槳。無人機的螺旋槳一般是2葉槳和3葉槳,例如大鵬系列無人機采用的都是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,另外隨著槳葉數目的增加,螺旋槳的重量也會隨之增加。所以槳葉數目的選擇需要結合發動機的功率,在保證具備可以吸收發動機最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下,盡可能減少槳葉數目,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。這和飛機的機翼類似,可以認為螺旋槳是一個帶有大扭轉角的機翼。葉素的氣動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算和測試來確定螺旋槳的性能。


 

螺旋槳葉素

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域的效率低,因此為了提高螺旋槳的整體效率,中部區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固定介質中旋轉一周前進的距離。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平面的夾角。相同轉速(V)下,螺旋槳不同半徑位置的線速度(ωr)不同,導致氣流的方向角(θ)不同,為了使每個葉素都能在有利迎角(α)下工作,所以槳葉角不是一個固定值,典型的槳葉角分布如圖所示。為了滿足不同速度的飛行,可以將螺旋槳設計成可變槳距的螺旋槳。在變距機構的控制下,根據飛機的飛行速度的變化,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:


 

三、螺旋槳分類

 

無人機螺旋槳的分類方式有很多,按用途分類可以分為推進螺旋槳和旋翼螺旋槳,推進螺旋槳是為飛機提供平飛所需推力的螺旋槳,旋翼螺旋槳是直接為飛機提供升力的螺旋槳。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,定距槳的優點是不需要變距機構,結構重量輕,系統可靠性高。缺點是只能在某一額定飛行速度下發動機才能達到最大效率,定距槳最大問題在于不能同時兼顧爬升和巡航兩個狀態的動力需求。變距槳的優缺點和定距槳相反。目前,定距槳在無人機上的應用較為廣泛。

按動力方式可以分為油動槳和電動槳,油動槳是用于油動發動機的螺旋槳,電動槳是用于電機的螺旋槳。兩者最主要的區別在于槳葉的厚度,油動槳相對于電動槳來說,槳葉更厚。在螺旋槳選型過程中,應該注意區分油動槳和電動槳。

發動機(電機)的旋轉方向有順時針和逆時針之分,為了匹配不同的旋向,螺旋槳就有了正槳和反槳的區分。以螺旋槳的迎風面為正面,逆時針旋轉的為正槳,順時針旋轉的為反槳。在螺旋槳選型過程中,應該根據發動機(電機)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,很少用于無人機。木制槳一般用櫸木或層板來制造,其強度比尼龍槳大,價格比碳纖維槳低,但是重量較大。碳纖維槳是由復合材料碳纖維制造而成的,優點是強度大,重量輕,但價格較高。尼龍槳的強度較弱,形變量大,但價格較低。目前木制槳和碳纖維槳在無人機中應用的較為廣泛,尼龍槳主要用于輕小型無人機。


 

四、螺旋槳性能指標

螺旋槳的性能指標主要有三個,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和功率系數來表示拉力和功率,計算方法如下:

其中,T為拉力、P為螺旋槳吸收功率、ρ為空氣密度、n為螺旋槳轉速、D為螺旋槳直徑、J為螺旋槳前進比、V為來流速度。

典型的螺旋槳氣動性能曲線如圖所示:

獲得螺旋槳氣動性能數據的方法有三個,分別是理論計算、試驗測量和CFD計算。

1、理論計算

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

 


2、實驗測量

實驗測量是在風洞中通過力/矩傳感器直接測量螺旋槳不同狀態的氣動力的方法,實驗測試是獲得螺旋槳氣動性能最準確的方法,但成本較高。


 


3、CFD計算

CFD計算也是一種最常用的方法,通過數值仿真計算得到螺旋槳的氣動力。CFD計算方法不僅可以得到螺旋槳槳的氣動性能,還可以通過流場信息,分析螺旋槳和機體之間的干擾。其計算成本比實驗測量低,但精度有待進一步提高。


 

五、螺旋槳的選型

螺旋槳的選型需要結合飛機氣動性能、螺旋槳氣動性能以及發動機的負載特性,做到螺旋槳與飛機匹配和螺旋槳與發動機匹配。首先通過幾何約束,初步選擇一個螺旋槳直徑范圍,然后選擇合適的螺距及槳葉數等參數;其次,根據螺旋槳參數評估螺旋槳的氣動性能;最后根據飛機氣動性能數據、螺旋槳氣動性能數據和發動機負載性能數據評估螺旋槳是否滿足設計需求。

1、 螺旋槳和飛機匹配

螺旋槳和飛機匹配是指在給定飛行狀態下,螺旋槳能夠提供飛機飛行所需的推力。具體過程如下:
(1) 由飛機的氣動性能確定各個飛行狀態的所需推力。
(2) 確定所有備選螺旋槳,以及它們的氣動性能,包括不同前進比時的拉力系數和功率系數。
(3) 利用不同飛行狀態的速度確定在該速度時,不同轉速時螺旋槳的拉力和功率。
(4) 通過發動機或電機最大轉速和最大功率確定不同飛行狀態的可行

對于垂直起降的固定翼無人機,在螺旋槳選型時,可以主要考慮四種飛行狀態,分別是巡航、爬升、最大平飛速度飛行和實用升限飛行。四種飛行狀態的所需推力可以通過如下公式計算:

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不同飛行狀態的所需推力。

飛行狀態

重量

高度

速度

其他要求

所需推力

巡航






最大速度平飛






爬升




指定爬升率


實用升限






根據飛機總體布局的尺寸限制和成品槳的規格,選擇合適的直徑范圍和螺距范圍。然后通過CFD計算或片條理論氣動計算程序,以及風洞實驗獲得所有備選槳葉在不同前進比時的拉力系數和功率系數,再通過拉力系數和功率系數計算出效率。



根據飛機的飛行速度,結合螺旋槳的拉力系數和功率系數,計算螺旋槳在該速度下,不同轉速的拉力和所需功率。

根據不同狀態的所需推力、發動機最大轉速以及發動機最大功率的限制,確定不同飛行狀態螺旋槳直徑和螺距的可行域。


2、螺旋槳與發動機匹配

螺旋槳與發動機匹配主要是指螺旋槳的氣動力和發動機的負載特性相匹配,即螺旋槳和發動機或電機的效率點相匹配,二者均在最佳工作點上。

3、螺旋槳的選型目標和評價方法

螺旋槳選型基本目標為在多種飛行性能要求對應狀態下,螺旋槳能夠與飛機、發動機同時匹配。

螺旋槳評價方法為:按照各飛行性能權重,基于全機小時油耗進行評分,選取最優槳。

不同類型的飛機,飛行剖面中主要飛行狀態不同,性能的關注點不同。這里通過對巡航、最大平飛速度、爬升、實用升限等飛行性能選取合適的權重系數,對螺旋槳進行評分,具體如下:

其中,Score為所有飛行狀態的總評分,wi為各飛行狀態對應的權重,T為拉力,V為速度,η為動力系統效率,Pgen為發電機提取功率,sfc為耗油率。

螺旋槳的選型過程如下:

1、 根據無人機總體布局設計,確定螺旋槳的直徑范圍,并初步計算不同直徑和螺距槳在不同前進比時的氣動性能;

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

3、 對待選螺旋槳的性能進行計算和測試,根據評價準則對螺旋槳進行評分,選出最優的螺旋槳;

4、 通過飛行測試,對螺旋槳性能進行檢驗。


六、垂直起降固定翼無人機螺旋槳

垂直起降固定翼無人機有很多布局形式,復合翼布局、尾坐式布局、傾轉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都有兩種狀態,分別是起降時的旋翼狀態和平飛時的固定翼狀態。其中,尾坐式布局和傾轉旋翼布局式無人機在起降和平飛過程中共用一套螺旋槳動力,而復合翼布局無人機在起降和平飛過程中采用兩套獨立的螺旋槳動力。



旋翼狀態下來流速度幾乎為零,且需要螺旋槳產生較大的拉力以平衡無人機自身重力;平飛狀態下具有較大的來流速度,且只需要螺旋槳產生能夠克服氣動阻力(一般為無人機自身重力的1/10左右)的推力即可。因此無人機在旋翼狀態下需要小螺距螺旋槳產生較大的靜拉力;平飛狀態下所需的推力較小,要求用大螺距螺旋槳保證在有來流條件下能產生足夠的推力,且使螺旋槳始終工作在最佳效率點處。小螺距螺旋槳與大螺距螺旋槳相比,輸入功率相同時靜拉力更大,所以垂直起降階段應該用小螺距螺旋槳;大螺距螺旋槳的最大效率更大,所以平飛階段應該用大螺距螺旋槳。


尾坐式布局和傾轉旋翼布局的優點是只需采用一套螺旋槳動力即可同時滿足起降和平飛兩種飛行狀態,缺點是螺旋槳在兩種飛行狀態下均不在最佳工作點上,因而整體效率低下。雖然通過增加變距機構能夠滿足無人機對螺旋槳能力和效率的需求,但輕小型無人機如果加變距機構不僅會增加結構重量,而且會嚴重減低動力系統的結構與控制可靠性。

復合翼布局采用兩套獨立的動力系統,缺點是會增加一定的死重,優點是在起降和平飛兩種飛行狀態下,螺旋槳均能夠工作在最佳效率點處;另外,兩套動力獨立控制,無論是在結構方面還是在控制方面均具有較高的可靠性,且兩套動力互為冗余,能夠提升無人機的整體安全性。

從當前無人機的實際應用情況來看,復合翼式布局較尾坐式布局和傾轉旋翼布局具有更高的可靠性和更廣泛的應用。雖然復合翼式布局會存在一定的死重,但通過合理的結構布置,能夠有效減低死重的比例;且高效率螺旋槳從氣動方面帶來的好處可以抵消結構死重的影響,同時復合翼布局無人機在可靠性和安全性方面具有更大的優勢。

因此,無論從氣動效率還是從使用可靠性的角度來看,復合翼布局無人機具有更大的優勢。

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