共轴双旋翼结构在多旋翼无人机教学活动中的应用分析

刘志军 赵文艺 魏亮 张丽

摘 要 引用共轴双旋翼模型分析上、下旋翼尾涡相互影响及干扰情况，论证上、下旋翼距离和上、下旋翼安装角对无人机双旋翼性能的影响。研究发现，受上旋翼下洗流影响，共轴旋翼间的气动干扰使下旋翼拉力减小比上旋翼拉力减小程度大，下旋翼的最佳安装角远大于单旋翼最佳安装角；上、下旋翼安装角相同情况下，共轴双旋翼结构产生的最大拉力略小于单旋翼最大拉力的两倍，但在外形尺寸基本固定情况下，共轴双旋翼结构可将无人机载重量提升近一倍。在高校多旋翼无人机教学实践活动中，可以采用共轴双旋翼结构解决无人机载重和尺寸的矛盾。

关键词 多旋翼无人机；共轴双旋翼；安装角；实验

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）04-0030-03

Abstract In this paper， we quote a coaxial dual rotor model to research the vortex interaction and interference of the propeller blades. We will proof the influence of the rotor distance and the rotor installa-tion angle to the UAV. The study found that the effects of rotor down-wash flow， coaxial rotor aerodynamic interference between the rotor thrust the decrease degree is larger than the upper rotor tension de-creases， the best installation angle of rotor is far greater than the best single rotor installation angle； on the rotor angle under the same con-ditions， two times the maximum tension of coaxial rotor structure is slightly smaller than the single rotor maximum force， but in the di-mensions of basic fixed， coaxial dual rotor structure the UAV payload upgrade Nearly double. In the practice of multi rotor UAV teaching， the coaxial double rotor structure can be used to solve the contradic-tion between the load and the size of the UAV.

Key words rotor UAV； coaxial double rotor； installation angle； ex-periment

1 概述

早在1914年的一战初期，英国的卡德尔和皮切尔两位将军就提议研制一种无人驾驶空中炸弹，可以自行飞到目标上空消灭敌人，然而实验多次均以失败告终。1917年，伴随着第一台自动陀螺稳定仪的诞生，美国通用公司设计的“凯特灵小飞虫（Kettering Bug）”问世，但无法做到遥控控制。1935年，英国研制的“蜂后”式无人机成为近现代无人机历史上的“开山鼻祖”，它的问世标志着无人机时代的真正开始。随后无人机被运用于各大战场，执行侦察任务。然而由于传感器、微控制器等技术的发展不是很成熟，飞行器的姿态检测和控制受到局限，无法出色完成任务，因此逐步受到冷落。

1982年，以色列首创无人机与有人机协同作战，无人机才重回大家的视线。而无人机在海湾战争中大放异彩，也引起各国军事高层的重视，开启了无人机真正的发展之路，世界各国的无人机出现百家争鸣的高速发展期。随后用于民用的无人机应运而生，多旋翼无人机以其出色的便携性、安全性、稳定性和应用广泛性，成为现代无人机大家族不可或缺的成员，已经广泛应用于电力巡检、电缆架设、农业植保、农业保险、环境保护、影视航拍、领土确权、灾情勘察、灾情救援、快递物流、警用搜索等诸多领域。

许多学校开设了多旋翼无人机相关课程，在解决多旋翼无人机外形尺寸和自身载重量之间矛盾时遇到困难。本文探讨在尽量不增加多旋翼无人机外形尺寸的情况下，采用共轴双旋翼的方式提高无人机载重量，为多旋翼无人机教学活动提供参考。

2 多旋翼无人机结构

民用多旋翼无人机主要系统包括机架、遥控系统、飞行控制器、传感器、电源系统、动力系统、任务系统、辅助系统等。

机架是指无人机的承载平台，所有设备都需要用机架承载起来飞上天。现在常见的多旋翼无人机，機架的组成基本大同小异，主要由中心板、力臂、脚架组成。常见的以3、4、6、8轴为主，轴数越多、螺旋桨越多，机架的负载就越大，相对地，结构也就变得越复杂、轴距越大。

遥控系统是操作者与无人机进行交流的平台，操作者的指令都需要经过遥控系统传递到无人机上。目前，民用多旋翼无人机的控制主要有遥控器控制和地面站控制两种方式。遥控器控制多用于目视范围内的无人机控制，特点是能够直观看到无人机的飞行姿态和飞行位置；地面站控制多用于目视范围外的无人机的控制，特点是能够在看不到无人机的情况下，通过数传系统实时监控无人机的方位、高度、姿态等参数，可以使无人机按照预先设定好的路线执行相应的任务，并在完成任务后自动返航、降落。

飞行控制器，简称飞控，是无人机的“大脑”，负责将操作者的控制信息和各类传感器的信息进行比较、计算，然后将相应的控制指令发送给动力系统，保证无人机能够按照操作者的意志稳定飞行。

传感器是无人机的状态监控系统，可以监控无人机的高度、速度、方位、加速度、姿态等信息，并同时将信息传递给飞控和操作者，为飞行控制提供参考。一般情况下在飞控内部会集成一些加速度传感器、气压传感器、陀螺仪等传感器，在需要精度提高或实现其他功能的时候，可以加装GPS、光流、声呐、无线电罗盘等外部传感器。

电源系统，相当于人类的心脏，为整个无人机提供稳定能源，一般由电池、分线板、电压电流监控器等组成。现时无人机的电池以锂聚合物电池为主，特点是能量密度大、重量轻、耐电流数值较高。

动力系统主要包含电机、电调、螺旋桨等。多旋翼无人机的电机以无刷电机为主。电机固定在机架力臂的电机座上，通过带动螺旋桨旋转产生升力。

任务系统主要包含云台、相机、雷达等。云台主要由无刷电机驱动，在水平、横滚、俯仰三个轴向对相机进行增稳，不同等级的云台可以搭载不同的相机。

辅助系统主要指提高飞机其他性能的辅助功能，包括灯光、烟雾发生器、彩带、可收放起落架等装置，可以用于目视范围内更好地辨别无人机姿态或提高任务完成质量。

3 共轴双旋翼性能分析

通过分析多旋翼无人机的结构，不难发现要提高无人机的载重量，主要可以采用增加电机转速、增加桨叶数量、增加桨叶长度、增大桨叶安装角、增加螺旋桨数量等方法。本文重点分析在保持机架尺寸不变的情况下，通过共轴双旋翼布局，增加螺旋桨数量，提高无人机载重量的方法。

共轴双旋翼模型[1] 日本在20世纪70年代末进行共轴双旋翼试验，用双层两桨叶旋翼模型，建立共轴双旋翼模型。通过该模型得出在不同的桨叶总距角的情况下，对其进行一系列的悬停非定常计算，得到拉力系数（Ct）和扭矩系数（Cq）之间的关系曲线，并且与实验结果进行对比（图1），两者基本吻合。

在同一扭矩下，上旋翼的拉力比下旋翼的大，主要是由于两层旋翼之间产生气动干扰。对于下旋翼，由于上旋翼尾涡直接穿过下旋翼而进入下旋翼尾涡中，其下洗实际是两个旋翼共同作用的结果，使桨叶的有效安装角减小，所以表现为拉力系数明显下降。

上下旋翼之间的距离变化对双旋翼性能的影响[2] 为了研究上下旋翼之间的距离变化对双旋翼性能的影响，引用现有实验结果，总距角为8°，对H=1.5d和H=d的情况进行计算。计算结果对比见表1。由表1可见，两旋翼距离增大，使得上旋翼拉力系数增加，下旋翼拉力系数减小，总拉力系数减小，说明下旋翼对上旋翼的干扰减弱，而上旋翼对下旋翼的干扰却有所增强，整体拉力性能略微下降。

上下旋翼安装角对双旋翼性能的影响[3] 引用实验数据可知，上旋翼最佳安装角应该在8.5°～10°之间，见表2。

固定上旋翼安装角8.5°，随着下旋翼安装角增大，总拉力逐渐增大。实验中下旋翼可能尚未达到最佳安装角，但此时双旋翼的最大拉力已大于单旋翼最大拉力两倍（图2）。

4 结论

1）相比于单旋翼，共轴双旋翼结构的上、下旋翼的拉力系数均要小一些，尤其是下旋翼的值更小，说明双旋翼间的干扰使得两者拉力性能下降，且下旋翼的下降幅度更大一些。

2）双旋翼的相互干扰使得下旋翼处的下洗速度比单旋翼的要大得多，而上旋翼的下洗速度比单旋翼的略大一些，几乎相同。

3）双旋翼之间距离增加，则上旋翼拉力系数增加，下旋翼拉力系数减小，总拉力系数减小。

4）在上旋翼安装角固定情况下，下旋翼对上旋翼的干扰使其拉力稍有下降，但影響因素较小。由于下旋翼处在强烈的下洗当中，使得下旋翼有效安装角减小，下洗使得其最佳安装角变大。在该最佳安装角下（可能大于20°），下旋翼产生的最大拉力大于单旋翼在最佳安装角（8.5°）时的最大拉力。此时在转速相同的情况下，双旋翼产生的最大拉力大于两个单旋翼最大拉力之和，需要重新设计螺旋桨。而对于拉力要求不是非常苛刻的使用者，实际意义不大。

综上所述，共轴双旋翼结构虽然无法达到独立的双螺旋桨产生的拉力之和，甚至有小幅下降，但能够明显减小无人机外形尺寸。对于外形尺寸基本固定的多旋翼无人机，采用共轴双旋翼结构，可将无人机载重量提升近一倍。在多旋翼无人机教学指导过程中，可以参考本文分析，权衡无人机尺寸与载重量的关系，合理采用旋翼安装结构。

参考文献

[1]Coleman C P. A Survey of Theoretical and Experi-mental Coaxial Rotor Aerodynamic Research[J].NASA TP3675，1997.

[2]许和勇，叶正寅.悬停共轴双旋翼干扰流动数值模拟[J].航空动力学报，2011，26（2）：453-457.

[3]闫修，赵旭，郭汉青，等.共轴旋翼悬停测力实验与数值模拟[J].航空计算技术，2015，45（2）：65-67，71.

[4]胡中华，赵敏.无人机研究现状及发展趋势[J].航空科学技术，2009（4）：3-5，8.

[5]王树源.国外军用无人机发展现状与趋势[J].硅谷，2014（18）：5-7.