當(dāng)前越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)采用了雙電機(jī)或共軸的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)，需要考慮如下幾個(gè)變量，例如螺旋槳的相對(duì)尺寸、速度和旋翼間的距離等。正確的設(shè)計(jì)決策可以讓您在拉力、扭矩和效率方面制造出性能最高的無(wú)人機(jī)。

我們最近完成了一項(xiàng)由多種雙電機(jī)和共軸轉(zhuǎn)子配置而成的對(duì)比研究。我們比較了不同旋翼間距離、螺旋槳尺寸和相對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生總動(dòng)力和扭矩以及螺旋槳和動(dòng)力系統(tǒng)效率之間的影響。我們相信這些結(jié)果與所有無(wú)人駕駛飛機(jī)設(shè)計(jì)師都息息相關(guān)，因?yàn)樗鼈兛梢詾闊o(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)提供更好的數(shù)據(jù)依據(jù)，從而提高效率和性能。

本報(bào)告總結(jié)了我們?cè)跓o(wú)人機(jī)共軸動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試期間不同旋翼間物理相互作用的發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)是前螺旋槳對(duì)后螺旋槳的影響，同時(shí)我們量化了上述旋翼之間的距離、轉(zhuǎn)速和螺旋槳直徑的影響。

我們使用兩個(gè)Flight Stand 50測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量高達(dá)50kgf的推力和30Nm的扭矩，以及RPM、電壓、電流、機(jī)械功率、電功率、螺旋槳效率、電機(jī)效率和整體推進(jìn)系統(tǒng)效率等。在共軸測(cè)試期間，兩個(gè)飛行測(cè)試臺(tái)背靠背放置在軌道系統(tǒng)上，每個(gè)支架的力測(cè)量單元(FMU)上都安裝了無(wú)刷電機(jī)和螺旋槳。

兩個(gè)螺旋槳被設(shè)置為以相反的方向旋轉(zhuǎn)，以便電機(jī)的扭矩相互補(bǔ)償并平衡測(cè)試結(jié)構(gòu)。在無(wú)人機(jī)中，這種共軸設(shè)置有助于避免飛行中由扭矩引起的垂直軸旋轉(zhuǎn)。后螺旋槳采用倒置安裝，以確保產(chǎn)生的氣流與前螺旋槳產(chǎn)生的氣流方向相同（圖1）。

對(duì)于旋翼之間距離不同的測(cè)試，測(cè)量?jī)蓚€(gè)FMU之間的距離。

我們首先研究了轉(zhuǎn)速和旋翼間距離對(duì)螺旋槳2(R2)在后部位置產(chǎn)生的拉力和扭矩的影響。我們預(yù)計(jì)R2的性能會(huì)受到螺旋槳1(R1)的影響，因?yàn)樗苯游挥赗1產(chǎn)生的氣流中。

我們完成了第一組測(cè)試，R1以兩種不同的速度旋轉(zhuǎn)：1600和2200RPM。我們還在四種不同的間隔距離上重復(fù)測(cè)試：10、30、50和70mm。結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2顯示了在不同R1轉(zhuǎn)速和間隔距離下R2拉力與R2轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系的演變。如您所見(jiàn)，形成兩組曲線，每組代表不同的R1轉(zhuǎn)速。當(dāng)R1以較快的2200RPM旋轉(zhuǎn)時(shí)，R2在所有間隔距離和R2轉(zhuǎn)速下的拉力都較低。

圖3顯示了在與先前測(cè)試相同的R1轉(zhuǎn)速和間隔距離下，R2扭矩與R2轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。同樣在R1轉(zhuǎn)速的影響下，形成兩組曲線。并與推力一樣，當(dāng)R1以2200RPM旋轉(zhuǎn)時(shí)，R2的扭矩值較低。

對(duì)于拉力和扭矩，旋翼之間的距離似乎對(duì)R2產(chǎn)生的拉力沒(méi)有顯著影響?？偟膩?lái)說(shuō)，我們可以得出結(jié)論，前螺旋槳(R1)轉(zhuǎn)速的增加會(huì)降低后螺旋槳(R2)產(chǎn)生的拉力和扭矩。

在上文中，我們了解到R1轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致R2產(chǎn)生的拉力和扭矩降低。我們想看看改變前螺旋槳的尺寸如何影響這種現(xiàn)象。

圖4顯示了在四種不同的R1轉(zhuǎn)速下，R2產(chǎn)生的拉力與R2轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。上圖顯示40”前螺旋槳的測(cè)試結(jié)果，下圖顯示47”前螺旋槳的測(cè)試結(jié)果。正如預(yù)期的那樣，在所有R1和R2轉(zhuǎn)速下，47“螺旋槳比40”螺旋槳產(chǎn)生更大的拉力。

當(dāng)R1轉(zhuǎn)速?gòu)?600RPM增加到2200 RPM時(shí)，兩種螺旋槳尺寸的R2拉力都減小。我們觀察到扭矩也有類似的下降（數(shù)據(jù)未顯示）。對(duì)于47英寸R1螺旋槳，R2拉力的下降似乎更大，在1600RPM和2200RPM下點(diǎn)之間的更大分布證明了這一點(diǎn)。

為了確定這種差異是否顯著，我們計(jì)算了R1在轉(zhuǎn)速1600和2200RPM之間所有R2轉(zhuǎn)速下的R2拉力差異，期間R2始終配備了47英寸的螺旋槳。

在所有四個(gè)R2轉(zhuǎn)速下，R1在1600和2200RPM時(shí)的R2推力差異對(duì)于47“螺旋槳更大。有趣的是，在R2轉(zhuǎn)速譜兩端的1600和2200RPM 處，差異最為明顯。一般來(lái)說(shuō)，較大的47英寸R1螺旋槳似乎對(duì)R2拉力的影響更大。

對(duì)于為什么會(huì)發(fā)生這種情況，我們有如下兩個(gè)假設(shè)：

假設(shè)1：前螺旋槳產(chǎn)生的氣流對(duì)后螺旋槳施加了力的影響。該阻性負(fù)載的方向與R1產(chǎn)生的拉力相反（圖6），以上可以由FMU測(cè)量發(fā)現(xiàn)。因此，阻性負(fù)載從記錄的原始拉力值中減去。

當(dāng)R1配備47“螺旋槳時(shí)，兩個(gè)螺旋槳之間存在100%重疊，當(dāng)R1配備40”螺旋槳時(shí)，重疊度降至72%。換句話說(shuō)，只有72%的R2螺旋槳表面被40英寸螺旋槳覆蓋。因此，重疊區(qū)域越大，拉力的下降就越大，這可能是由于引發(fā)了更大的阻性負(fù)載。

假設(shè)2：R1產(chǎn)生湍流，誘導(dǎo)阻力抵消R2產(chǎn)生的拉力和扭矩。我們知道這種阻力的存在是因?yàn)楫?dāng)油門應(yīng)用于R1而不是R2時(shí)觀察到的風(fēng)車效應(yīng)。R1旋轉(zhuǎn)得越快，產(chǎn)生的阻力就越大，并且將觀察到更顯著的拉力損失。

當(dāng)油門施加到前螺旋槳上并使其旋轉(zhuǎn)時(shí)，后螺旋槳將在沒(méi)有任何油門的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)。R1旋轉(zhuǎn)得越快，R1的空速就越高，就會(huì)作用在R2上，拖動(dòng)它以越來(lái)越高的速度旋轉(zhuǎn)。扭矩為負(fù)，因?yàn)闇y(cè)量的是電機(jī)中的電阻扭矩，旨在制動(dòng)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)。它是由來(lái)自R1的氣流產(chǎn)生的阻力引起的。

當(dāng)沒(méi)有電力輸入時(shí)，可以看到這樣的反應(yīng)：R2自轉(zhuǎn)并成為風(fēng)力渦輪機(jī)（圖7）。

圖 8 中的3D圖顯示了R2扭矩如何隨著R1和R2轉(zhuǎn)速的變化而變化。藍(lán)色和黃色工作表是從顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)插值的。

藍(lán)色圖顯示了轉(zhuǎn)子之間間隔距離為10mm處的扭矩演變，而黃色圖顯示了25mm距離處的扭矩。此圖表顯示了當(dāng)對(duì)R2施加很少或沒(méi)有油門時(shí)存在負(fù)扭矩。

螺旋槳效率是轉(zhuǎn)子性能的主要指標(biāo)之一，因?yàn)樗饬康氖窍鄬?duì)于功率輸入而產(chǎn)生的拉力值的大小。

我們研究了螺旋槳效率如何在轉(zhuǎn)子間轉(zhuǎn)速和間隔距離相關(guān)而演變的過(guò)程。在圖9中，R2螺旋槳效率與x軸上的R2轉(zhuǎn)速做圖。每條曲線代表R1轉(zhuǎn)速（1600與2200RPM）和間隔距離（10、30、50或70mm）的不同組合。在R2轉(zhuǎn)速1200、1400、1600、1800、2000和2200RPM下進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)這些點(diǎn)對(duì)曲線進(jìn)行插值處理。

如我們所見(jiàn)，根據(jù)不同的R1轉(zhuǎn)速形成兩組螺旋槳效率曲線。在所有R2轉(zhuǎn)速和間隔距離下，R2在R12200RPM轉(zhuǎn)速下具有更高的螺旋槳效率。

對(duì)于R1以2200RPM旋轉(zhuǎn)的曲線，R2螺旋槳效率在整個(gè)R2轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)下降。當(dāng)R1處于1600RPM時(shí)，R2在1450RPM時(shí)其螺旋槳效率出現(xiàn)峰值，然后與另一組螺旋槳效率曲線平行并逐漸下降。

在高轉(zhuǎn)速下，螺旋槳之間的距離對(duì)R2螺旋槳效率的影響可以忽略不計(jì)。在R1和R2的較低轉(zhuǎn)速下，較小的間隔距離與更高的效率相關(guān)。與R1高轉(zhuǎn)速而R2低轉(zhuǎn)速時(shí)相比，這種差異在R1和R2均以低轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)更為突出。當(dāng)R2以~1750RPM及以下的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，上述現(xiàn)象變得十分明顯。

螺旋槳效率的計(jì)算方法是產(chǎn)生的拉力除以螺旋槳的機(jī)械功率（螺旋槳轉(zhuǎn)速乘以扭矩）:

ηp= 螺旋槳效率(gf/W)；Fth = 拉力(gf)；T = 扭矩(N.m)；ω = 轉(zhuǎn)速(rad/s)

這項(xiàng)研究使我們能夠觀察幾個(gè)變量對(duì)共軸動(dòng)力系統(tǒng)性能的影響。我們了解到，前螺旋槳對(duì)后螺旋槳有相當(dāng)大的影響。

我們的研究提供了幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)：

• 在共軸測(cè)試中，后螺旋槳的性能比前螺旋槳受到更多空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響。

• 在共軸測(cè)試中，螺旋槳之間的重疊(%)越大，后螺旋槳的拉力損失就越大。

• 在前螺旋槳的影響下，可以在后螺旋槳中觀察到負(fù)推力和扭矩以及自旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

• 螺旋槳之間的共軸距離對(duì)后螺旋槳性能的影響有限。

• 由前螺旋槳產(chǎn)生的流體速度與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，對(duì)后螺旋槳的性能有主要影響。

• 由于對(duì)后螺旋槳的拖曳效應(yīng)，后置的螺旋槳可以以相同的轉(zhuǎn)速和較小的扭矩旋轉(zhuǎn)，因此與單電機(jī)運(yùn)行相比，系統(tǒng)整體效率更高。