为什么多轴无人机上的螺旋桨多采用两叶式？

为什么多轴无人机上的螺旋桨多采用两叶式？



讨论这个问题之前，就要先讨论螺旋桨是不是叶片越多越好这个问题。

从1904年莱特兄弟发明飞机以来，飞机性能取得了长足的进步，飞机上螺旋桨的叶片也越来越多。


索普威斯“骆驼”战斗机 两叶桨


梅塞施密特BF-109E 三叶桨


共和P-47D 四叶桨


超级马林“喷火”MK14战斗机 五叶桨


洛克希德·马丁C-130J“大力士”运输机 六叶桨


诺斯罗普·格鲁曼E-2D"先进鹰眼"预警机 八叶桨

从工作效率上来讲，桨叶数越少越好，因为后一片桨叶会经过前一片桨叶的尾流，尾流会导致工作流场改变，偏离设计状态。但随着发动机功率的增加，显然需要配套更大的桨叶面积才能对更多的空气做功。在不增加叶片数量的基础上增加面积，无非就是增加桨叶的长度也就是螺旋桨直径，或者增加桨叶的宽度。但直径的增加是有限度的，以多轴无人机为例，螺旋桨的桨尖必须与机身以及相邻轴位上的螺旋桨之间保持一定的安全间隙，若增加桨叶的长度就意味着要增加螺旋桨轴心与机身以及相邻轴心的距离来保持安全间隙，那么机臂就要加长。但过长的机臂会导致其本身强度降低，也会使机架整体刚性不足，稳定性降低，重量增大。不过在现实中也有一些为了给桨叶挤出更多延伸空间而做的极限设计，比如F4U“海盗”战斗机，既要使用较长的桨叶，又要保证桨叶的安全离地间隙，同时还不能增加起落架长度，就只好采用了倒鸥翼布局的机翼。


F4U“海盗”战斗机

但即便是这种极限的设计，换来的桨叶延长量也并不可观，并且会牺牲飞机诸多其他方面的性能，往往适得其反。所以单纯增加桨叶长度这条路显然是走不通的。

前面说过，增大桨叶宽度也是增大桨叶面积的方式之一，但桨叶的宽度同样也是受到限制的。适当的增大桨叶宽度能在一定程度上提高发动机或电机的功率转化率，优化动力表现，但同时意味着桨叶要承受更大的负载。受制于材料和结构技术，过宽的桨叶在快速提高转速时极易发生超过弹性极限的屈服形变，甚至断裂射桨，带来极大的安全隐患。

随着发动机性能的不断提升，过剩的动力为增加桨叶数量这一妥协策略提供了可行性。在不增加桨叶长度与宽度的情况下，适当增加桨叶数量来换取更大的发动机扭矩逐渐成为了共识。这方面的典型代表就是“喷火”战斗机，初期型号采用两叶桨，后期随着空气动力结构的优化以及发动机功率的增大，其桨叶数量从三叶逐步增加到五叶，甚至到末期的“海喷火”采用了共轴对转六叶桨。


“海喷火”战斗机

其实说简单些，增加螺旋桨叶片数量可以理解为在保证每个叶片强度的基础上增大了桨叶的做功面积，进而提高了发动机功率转化率。当然前面也说过，螺旋桨的工作效率是反比于桨叶数量的，更多的叶片意味着更明显的叶片间干扰，使发动机功率更多的分摊在干扰阻力上，对发动机功率转化率的提高又产生了削弱作用。这确实很矛盾，但在各种不同的需求下，桨叶数量都是有最优方案的。对于相同工况下的同一台发动机而言，发动机功率转化率会随着桨叶数量的增加呈现出不断上升的趋势，但上升至某一值后，会随桨叶数量的进一步增加而下降。在这一变化过程中，发动机功率转化率达到最大值时对应的桨叶数量，即为此工况下的动力最大化方案。

但动力最大化是把能耗抛在脑后的，在现实中燃油经济性显得尤为重要，特别是民用航空，动力最大化的设计往往只出现在军用或特种航空器上。这恰恰也回答了最开始的问题，因为绝大部分的多轴无人机都是由电力驱动的，在续航能力上远远无法与传统燃油机相比，所以采用两叶式螺旋桨的目的就是为了尽可能的增强续航能力。但就像前面说过的，结合到具体的需求，两叶桨也并不是唯一的选择，比如运动型的四轴穿越机就多采用三叶或四叶桨，牺牲一定的续航能力以换取更强的机动性。