小型低速無人機螺旋槳效率提升研究

目前，小型低速無人機主要采用活塞發(fā)動機，螺旋槳是其主要的推進器。這類螺旋槳的主要特點是:轉速高、定距、直徑小、前進速度比低、多采用木質材料等,因此效率普遍較低,裝機后的實際效率一般低于0.6,比有人飛機低20%以上。由于這類螺旋槳截面工作在較小的雷諾數下,使得螺旋槳效率的提高較為困難?？墒?螺旋槳效率的提高,可以在無需改變無人機其它條件下,有效提高無人機的飛行性能。因而,無人機螺旋槳設計者們一直致力于提高其效率。螺旋槳的設計,特別是槳葉的設計是一項綜合性的工程技術問題,設計師的任務就是要權衡所有各種利害關系,以求達到最滿意的結果。根據多年來多種型號無人機螺旋槳研制實踐的經驗,本文總結出一套提高小型低速無人機螺旋槳效率的工程手段:采取選用高性能槳型、放寬槳尖馬赫數的上限、合理匹配螺旋槳的吸收功率與發(fā)動機的輸出功率、精選槳葉層合材料、提高加工工藝質量、加強表面防護等措施。風洞試驗與飛行實踐均已證實這些措施可切實提高無人機螺旋槳效率。1大型螺旋設計需要合理利用小型低速無人機螺旋槳的設計實際上是一個綜合優(yōu)化和權衡的過程。由于不變距和沒有減速機構,僅靠一組螺旋槳設計參數想要無人機在起飛、爬升、巡航和最大速度飛行等各個飛行階段均保持最佳狀態(tài)是不現實的,因此,只有選擇飛機最重要的工作狀態(tài)作為螺旋槳的設計點,同時注意兼顧其它飛行狀態(tài),努力使螺旋槳在飛機的各個飛行階段均有較好的表現。1.1槳型比密度設計選擇螺旋槳的槳葉剖面形狀(槳型)如同選擇機翼的翼型一樣重要,它是設計高效率螺旋槳的基礎。一般情況下,進行螺旋槳設計時對槳型本身不進行基礎研究,但必須根據螺旋槳的使用條件和設計點,沿螺旋槳徑向選取合適的槳型分布,使螺旋槳在使用過程中經常保持較好的升阻特性。在槳型的選擇過程中,不能只追求理論上的最優(yōu),還應考慮工程實現的可能性。例如有的槳型相對厚度較小,翼型后緣很薄,雖然氣動特性可能不錯,若采用木質材料制造,則很難達到設計要求,發(fā)揮其氣動效率。螺旋槳槳型的選擇原則主要有:(1)在螺旋槳的設計速度和使用迎角附近,具有較好的升阻特性。(2)槳型應具有較好的工藝性。除剖面形狀加工容易外,對加工精度也應有較好的寬容度,這點對木質螺旋槳尤為重要。(3)剖面形狀參數不給螺旋槳的強度設計帶來太大的困難。1.2槳葉的多輪優(yōu)化設計螺旋槳在選定槳型以后,要根據螺旋槳的使用高度和速度、發(fā)動機功率和轉速等條件,按照螺旋槳理論進行槳葉參數設計,典型螺旋槳截面的速度多邊形如圖1所示。螺旋槳的拉力和功率可利用下式,再沿整個槳葉積分得到。dP=cykcos(β1+μ)ρW212bdrdT=cyksin(β1+μ)ρW212bΩrdrdΡ=cykcos(β1+μ)ρW122bdrdΤ=cyksin(β1+μ)ρW122bΩrdr式中,cy為槳型升力系數,k為槳葉數,b為槳葉寬度,Ω為螺旋槳旋轉角速度,W1為槳葉處氣流和速度。按照上式得到的螺旋槳拉力和功率如果不滿足要求,則要對槳葉參數進行調整。實際上,螺旋槳的主要設計參數,如半徑、槳葉相對厚度和弦長、槳葉角等,要進行多輪優(yōu)化,才能滿足設計要求。按照傳統(tǒng)的設計原則,螺旋槳的槳尖馬赫數一般不得大于0.75,但對許多無人機來說,由于其發(fā)動機工作轉速較高(5000~8000r/min),為降低成本和減輕重量,往往不用減速機構,而采用螺旋槳與發(fā)動機共軸連接方式,這時,如果還要保證螺旋槳的槳尖馬赫數不大于0.75,螺旋槳直徑就會受到較大限制,這對螺旋槳效率影響較大。根據螺旋槳風洞試驗和飛行試驗,在飛機總體布局及結構允許的情況下,需采用盡可能大的螺旋槳直徑,只要使槳尖馬赫數不大于0.95,再加上合理配置其它槳葉參數,就有可能取得較好的螺旋槳效率。風洞試驗結果證實了這一論點。表1列出5種自行研制的無人機螺旋槳和1種同類進口的螺旋槳有關對應于最佳前進比λopt的螺旋槳效率ηmax的試驗數據。從表1可以看到,自制槳的最大ηmax=0.89,平均ηmax=0.831,與該型進口槳相比,自制槳的效率有明顯提高。經驗表明:實際飛行中,螺旋槳效率會有所降低,一般都要比風洞試驗中的效率低20%左右,對于自制槳與進口槳均無例外。無人機在實際飛行中的螺旋槳效率可通過實測飛行數據進行推算,4號自制螺旋槳在飛行中的推算效率ηmax=0.66。1.3螺旋設計要點提高螺旋槳本身的效率固然重要,但更重要的是要提高螺旋槳裝機后的效率。一般情況下,無人機螺旋槳裝機后的效率較原先螺旋槳的設計效率要下降10%~20%。為了使螺旋槳具有較高的實際使用效率,解決好螺旋槳與飛機、發(fā)動機的匹配問題非常關鍵。既要使螺旋槳的外形尺寸與飛機總體布局協(xié)調,又要使螺旋槳的吸收功率與發(fā)動機輸出功率匹配,保證發(fā)動機功率的充分發(fā)揮和穩(wěn)定工作。另外,在螺旋槳設計中不僅要力求螺旋槳的最大效率點高,同時要使螺旋槳效率曲線在最高點附近盡量平坦,也就是在一定的前進比范圍內使螺旋槳均有較高的效率,這一點對于定距螺旋槳尤為重要。因為在實際飛行中由于飛行階段的不同,很難保證飛機始終保持在螺旋槳的設計點上飛行,如果稍微偏離設計點,螺旋槳的效率就大幅度下降,使其適用范圍很窄,這樣的螺旋槳設計是不成功的,在實際飛行中很難使用。圖2給出了兩種螺旋槳效率曲線的比較,可以看到,螺旋槳1和螺旋槳2的設計點和最大效率雖然相近,但螺旋槳1的設計顯然比螺旋槳2好。做到這點的關鍵是槳型的正確選擇、槳葉參數的合理優(yōu)化和螺旋槳與飛機、發(fā)動機的良好匹配。2設計思想的控制有了一個良好的設計,只是完成了螺旋槳研制工作的第一步,要將設計思想變?yōu)閷嶋H產品,還必須對螺旋槳的制造材料、加工工藝、表面防護及地面試驗等諸多環(huán)節(jié)進行認真控制,才能保證螺旋槳的最終質量。2.1螺釘材料的選擇目前,以活塞式發(fā)動機為動力的小型無人機大多數采用雙葉、木質螺旋槳作為其推進裝置。對螺旋槳材料的基本要求是:木質均勻,強度好,變形小。作者先后采用松木、樺木、精制層板(俗稱Δ木)、櫸木和櫸木層壓板作為螺旋槳材料。早期的無人機功率不大,用松木和樺木來制作螺旋槳基本可以滿足要求。隨著螺旋槳吸收功率的增加和轉速的提高,精制層板成為螺旋槳材料的首選,精制層板具有強度高,剛度好等優(yōu)點,但容易隨氣候變化產生分層,加工相對困難。櫸木木質均勻,性能穩(wěn)定,是小型木質螺旋槳的理想材料。而櫸木層壓板除具有櫸木的基本特性外,其變形更小,材料內部缺陷更少,用途更廣。2.2生產效率的提高螺旋槳的加工工藝對螺旋槳的最終質量影響很大,目前的木質螺旋槳加工主要以手工削制為主,采用的工藝手段主要是保證產品的精度、一致性、穩(wěn)定性,并提高生產效率。隨著加工中心的增多,螺旋槳加工必將逐漸過渡到以數控加工為主。采用數控加工的螺旋槳,其產品質量和生產效率均優(yōu)于手工加工,但要解決螺旋槳的實體造型與編程、加工中的基準確定、防止加工變形和提高表面光潔度等問題。2.3螺旋的表面防護木質螺旋槳以其成本低、加工容易、使用方便、安全等優(yōu)點得到了廣泛應用。但同時在使用過程中也暴露出了木質螺旋槳易碰傷、抗雨性能差、耐氣候變化能力低的弱點,因此,如何對木質螺旋槳進行有效的表面防護,對提高木質螺旋槳的質量,改善其使用性能,保證其效率的充分發(fā)揮具有重要意義。過去對螺旋槳表面的防護常噴涂專用“三防漆”,主要防止螺旋槳在不同潮熱氣候條件下的變形。隨著無人機應用范圍的擴大,要求無人機可以在小到中雨條件下執(zhí)行任務,因此,螺旋槳也要具備一定的耐雨能力,這對木質螺旋槳是一個嚴峻的考驗。根據螺旋槳的工作轉速和幾何尺寸,采用表面噴涂高硬度保護漆、槳葉前緣加貼金屬保護膜、或鑲嵌彈性材料等,是解決木質螺旋槳防雨問題的簡單而有效的手段。2.4槳葉不平衡力螺旋槳制成、經外形檢驗合格后還要進行地面靜、動平衡試驗后方可用于實際飛行。靜平衡試驗中一對槳葉的不平衡力矩必須小于0.0113Nm。動平衡試驗較為復雜,需要專用動平衡設備,在不具備該條件的情況