桨叶传奇

Lingxing

竹蜻蜓像是一个古老的寓言，如同桨叶的前生，都是对天空的向往。本期《焦点》独家采访大疆动力工程师揭秘无人机桨叶的诞生与传奇。

竹蜻蜒是公元前500年前我国的一种飞翔玩具，它以竹或木削成细长扭曲形薄片的叶片，在中间装一根小棍作立轴，用手摩擦木棍，叶片就会向上快速旋转而上升。晋朝葛洪所著的《抱朴子·杂应》篇中描绘了通过旋转的竹蜻蜒垂直升空的情景和通过旋转的螺旋桨产生垂直的向上拉力，“用枣木心为飞车，以牛革结环剑以引其机……上升四十里”的“飞车”就是竹蜻蜒。

多数90后的童年记忆里的“竹蜻蜓”都来自一只有着百宝箱的机器猫，口袋里装满了漫画家对22世纪的想象。有人在知乎提问：“在多年后的今天，哆啦A梦漫画中的哪些道具已经被实现了呢？”

有心的答主把漫画和实景图放在一起颇为令人感慨，漫画里能擦地板的机器人、偏光式速成制景相机、自动电子打字机，如今以扫地机器人、3D打印、语音识别的方式走进了普通人的生活。

那个带着大雄去旅行的竹蜻蜓则酷似无人机的桨叶，为了揭开无人机桨叶的秘密，《焦点》本次独家采访了大疆动力部门的工程师。

Q：桨叶的设计都有哪些步骤？

A：设计是对需求的满足，新的无人机项目组首先会对整机的动力模块有一个初步的评估，给出整机的一些基本信息，整机重量、轴距等等，然后提出对动力的需求：续航时间、推重比、最大前飞速度、安装方式、桨叶结构等，收到需求之后开始同步设计电机和桨叶。分析需求后，完整的设计过程主要包括了：前端设计，设计出合适的桨型，进行CFD，然后加工出实物进行测试。

Q：能否介绍一下DJI消费级无人机的产品从精灵系列到Mavic Air的桨叶变化，它们分别有什么特点？

A：DJI消费级无人机桨叶变化主要是安装结构的改变。安装结构对飞机性能的影响主要在于两个方面，一是用户体验，包括安装和携带时的体验，二是对飞机安全性能的影响。

对于精灵系列产品：精灵1到精灵3的一系列都是采用自紧桨的结构设计，这种结构是利用螺纹越转越紧的原理，加上无人机在飞行过程中，无论是加速还是减速的时候，桨叶都只会沿着一个方向转动，从而保证飞行过程中桨叶固定得越来越牢固，不会从电机上脱出。

然后在精灵4的设计过程中，采用了一种快拆的结构方式，这种结构方式保证桨叶在不受向下的外力作用下，相对电机而言是无法转动的，这种结构形式的安全程度更高，且安装过程非常高效，推出之后更受用户的欢迎。

对于精灵4的桨，我们称之为快拆直桨，在其基础上，针对Mavic Pro产品设计出一种更为便携的结构，从之前的快拆直桨更迭为快拆折叠桨，这种结构在快拆直桨的基础上，变得更为便携，飞行完之后直接把桨叶折叠在一起即可，减少了拆装的过程，下次飞行的时候也可以做到上电即飞，大大减少用户的操作难度。

在Spark的这款产品中，延续了Mavic Pro的这种设计方式，搭配上Spark小巧的机身，显得非常完美。

随后，在设计Mavic Air的桨叶结构时，考虑到飞机脚架的折叠方式，采用了精灵4的快拆直桨结构，也能够非常协调地把桨叶折叠到机身之内，直桨和折叠桨在飞行气动性能上基本无差别，外观上兼具速度感和流线感。

Q：能否透露一下桨叶上的一串数字和字母是什么含义？

A：以Mavic Pro的折叠桨为例，桨上面标的数字和字母是8330F，首先看数字部分，可以分成83和30，这两个数字分别代表了桨展开之后的直径为8.3英寸以及桨的螺距（螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转一圈之后桨平面前进的距离）为3.0英寸，F代表了可折叠的意思，即Folding。

Q：静音桨是如何变得静音的？

A：桨在旋转过程中，会高速切割空气，从而会产生尖锐的噪声，目前我們推出的静音桨主要由两个途径来降低噪声。一是改变桨型。通过选取一个更优的桨型，降低无人机飞行过程中电机转速，使得无人机的桨叶切割空气的速度相对而言没那么快，就能降低一部分的噪声。

二是桨尖特殊的结构设计。桨叶在旋转过程中，桨尖转动的线速度最大，基于这种原理，静音桨在设计的时候，桨尖稍往后掠，且变得更窄一点的结构方式能减小桨叶切割空气的声音，从而实现“静音”的效果。

Q：在飞行过程中如果有一支或几支桨叶受损飞机还有可能保持平衡吗？

A：所谓“保持平衡”我理解为无人机的悬停状态，首先答案是如果受损区域不大的话，是可以保持悬停的。对于无人机的悬停，从物理角度来考虑就是四个桨叶提供相同的拉力，即1/4的飞机重量，这个时候就可以保持悬停。我们知道，桨叶的拉力跟电机的转速呈正相关，转速越大，拉力就越大。那么对于一个受损的桨叶而言，还要求能够提供那么大的拉力，只需要电机转速提高到一定程度即可，对于多只桨叶受损也是如此，因此，一只或多只桨受损之后，如果受损区域不太大的话，飞机也是能保持平衡的，但即使能保持平衡，这也是一种不正常的平衡，无人机的机动性能会降低很多，大大增加无人机炸机风险。

Q：在平原地区使用高原桨会有什么后果？

A：高原桨的推出，主要是考虑到用户在非常高海拔地区的使用需求，高海拔的地区之所以需要相应的高原桨，在于海拔越高，空气质量越稀薄，使得桨在相同转速下，所能提供的拉力变小了，从而无法使飞机达到较好机动性能。基于此，高原桨设计必须在电机相同的转速下，其能提供更大的拉力，从而满足高原的使用需求。

考虑到高原桨的这种原理，如果在平原地区使用高原桨的话，对无人机也不会有什么影响，也能正常飞行。

Q：未来是否会有针对低温或者其他可能的极端环境的桨叶？

A：我们知道，在极度低温和潮湿的环境中使用无人机，会使得桨叶上结冰，结冰之后会影响桨的气动性能，导致飞行存在风险。未来如果有比较好的技术，会考虑设计针对低温环境使用的桨叶。

Q：如果桨叶装反了是否还能起飞？会呈现什么状态？

A：目前我们提到的四轴多旋翼无人机都是配的4只桨叶，按照旋转方向可以分为2只正桨和2只反桨。你说的装反了应该是把正桨装到反桨配合的电机上，反桨也在正桨配合的电机上了。

首先要说明的是我们在设计桨结构的时候就考虑到了这一点，并从结构上完全避免了这种情况的发生，如果互换了安装的桨之后，桨是根本不可能被装进去的，我们称之为“防呆”。

然后如果强行破坏了防呆结构，将正反桨的安装位置对调了，在这种情况下推杆的话，桨不会产生一个向上的拉力，此时APP会提示用户存在异常，无人机无法起飞。

Q：桨叶作为一种消耗品，它的建议使用时间是多长？（以Mavic Pro为例，飞行多少距离需要更换）

A：我们在设计完一款桨之后，都会有桨的一套测试标准，以Mavic Pro为例，目前我们对桨的要求是至少必须要能连续暴力飞行满300小时不出任何结构问题，以30分钟为一个架次，每架次飞行10公里，那么至少能满足用户600个飞行架次，约6000公里以上了。

当然这是桨在没有受损的情况下的数据，如果用户在实际飞行过程中，桨不小心被误伤，出现了破损，那就强烈建议换掉，减小飞行风险。