无人机不等同轴旋翼架构设计应用探究

“结果显示，对于不等组合，用户应将较小的螺旋桨置于上游以提高能效，但若追求最大推力，则两个相等的螺旋桨更为理想。”

在近期的研究《不等同轴旋翼性能特性探究》中，Max Miles和Stephen D. Prior博士深入探讨了不同螺旋桨尺寸及间距如何影响无人机推进系统的推力、效率及能耗。

先前的研究指出，将较小的螺旋桨置于较大螺旋桨的上游可提升性能，且最佳分离比（z/D）介于0.1至0.4之间。Prior博士团队旨在进一步验证这些发现，并深化对同轴旋翼动力学的理解。

【实验设置】

实验采用Flight Stand 15 Pro推力台进行，该设备为团队所熟知。Prior博士表示：“过去十年间，我们利用一系列TYTO推力台（1585、1780及FS15）来加深对比例螺旋桨的理解与测量。”团队还开发了自定义MATLAB脚本以优化螺旋桨设计，并测试了一系列为特定操作范围定制的3D打印螺旋桨。

图1：Flight Stand 15 Pro测试台面对面同轴配置

每个螺旋桨均由T-Motor的U8 Kv100电动马达驱动，经初步验证后调整至Kv80性能。马达通过T-Motor Alpha 60A 6S ESC控制，由充满电的25C 6S（22.2V）锂电池供电。

研究测试了26英寸与29英寸T-Motor碳纤维螺旋桨的组合，跨越五个z/D比率：0.05、0.1、0.2、0.3及0.35。z/D比率指叶片间距离z与叶片直径D之比。

两螺旋桨均在等效油门下运行。从20%油门开始，系统稳定后油门每次增加五个百分点，直至90%油门。推力台软件记录了推力、电流、扭矩、转速、电输入功率及机械输出功率。

螺旋桨首先单独测试，以建立与实验同轴配置对比的基线。此基线被称为“理想同轴对”：两个独立运作、互不干扰的孤立螺旋桨。

以下是他们的主要发现摘要：

分离距离（z/D比率）优化

就最小推力损失而言，最佳分离距离在不同配置间略有差异。结果呈现典型的“桶形”曲线，即小分离时性能较差，随分离距离增加而改善，随后再次下降，如图2所示。

对于不等组合，较小螺旋桨置于上游时的理想z/D比率为0.2，而其他配置的最佳分离距离介于0.1至0.2之间。

图2：等同轴与不等同轴动力系统的推力损失，与理想同轴对比较

推力损失

图3展示了各同轴推进系统与理想同轴对相比的推力损失百分比。对于不等螺旋桨组合，将较小的螺旋桨置于上游产生的推力损失最低。

26英寸上游螺旋桨与29英寸下游螺旋桨的组合显示出最低的推力损失，为17.3%，而反向配置导致23.8%的损失。

图3：不同同轴系统与理想组合相比的推力损失

总推力

在比较各配置的总推力产生时，相等螺旋桨对产生的净推力最高。29英寸螺旋桨对在最大油门时达到34.9 N的推力，比表现最佳的不等组合高出12%。

在不等组合中，较小26英寸螺旋桨置于较大29英寸螺旋桨上游的配置，在最大油门时比反向配置多产生2.2 N的推力，增幅为7.5%。

图4：等同轴与不等同轴螺旋桨组合产生的总推力

为尝试消除螺旋桨尺寸作为影响因素，他们将总推力归一化到同轴螺旋桨的盘面积上，这被称为盘载荷。

在此归一化下，他们观察到较大的29英寸螺旋桨对在任何转速（400至1700 RPM）下都实现了最高的盘载荷和最大的总推力产生。

图5：同轴盘载荷随RPM变化

功耗与效率

下游螺旋桨位于上游螺旋桨尾流中，需要额外功率来产生与孤立螺旋桨相同的推力。与等同轴相比，不等同轴对的功率增加较小。小螺旋桨前置的不等组合显示功率增加22.7%，而等同轴对则增加了27%。

图6：同轴系统与理想组合相比的功率增加百分比

【结论】

本研究深入探讨了同轴旋翼配置与性能之间的关系。它验证了几项现有发现，并提供了关于螺旋桨位置、分离距离及相对大小如何影响推力、功率和效率的宝贵见解。