碳钎维材料在无人机中的应用

陈思行

摘  要：随着科技的进步，人们生活水平的提高，对于高科技产品的需要求量也变的越来越大，但是通过对合理材料的使用来降低产品的安全系数与价格成本就显现的很重要，本次论文主要是围绕着碳钎维螺旋桨在无人机的应用以及对于材料方面的使用要求和实惠的经济进行论述。

关键词：无人机;螺旋桨;碳钎维材料

科技在进步，人们生活水平变的越来越优越，取之而来的是高科技在生活中的应用铺及，今天我们拿无人机为例，无人机逐渐得到普及，无论是在表演、航拍、侦测、警用、探测、物流、救灾中我们经常能看见他们的身影，如果在恶劣环境中，无人机的性能要求也会很高，就拿我们今天所说的机翼为例，一般材料为合金、复合材料或者高性能的工程塑料，聚塞龙的PP11120HF就是用于无人机机翼材质之一，但是如果沒有螺旋桨，无人机无异于是一堆废铁，但是无人机螺旋桨的材料的优越关乎其飞行的稳定性以及安全性能。材料劣质的螺旋桨会因为其材料的原因飞成碎片，而整个无人机也会因为这个劣质的螺旋桨破裂而损坏。往往螺旋桨是最先摔坏的零部件。

在选用无人机螺旋桨时其材料也分很多种，有木制、塑料、玻纤、碳钎维，其中木制材料优点是重量轻、易加工、成本低，其缺点是制作工艺繁所，成品精度低，木桨在飞行过程中的震动程度比较适中。塑料螺旋桨优点是易于加工，成本低，模具加工精度高，重量轻，缺点是强度低，易断浆。碳纤维螺旋桨，玻纤特点是机械强度和弹性系数高，价格便宜，但是其性脆和耐磨性差。碳纤优点是重量轻，抗张强度高，耐磨擦，其缺点是材性属于性脆弱材料，无法修复，加工困难，制作成本高。碳钎维的震动要比其他材料的震动要高，因为它本身的材质强度高。

因此无人机螺旋桨对材料要求强度、高韧性、高流动，一般采用合金、复合材料或者高性能的工程塑料，聚赛龙的PP1120HF就用于无人机机翼材质之一。

我们以直径为4.7英寸，螺距为6.8，弦长为1.5的塑料二叶桨为例进行分析，采用塑料材料主要是因为其易于加工的优点，根据伯努力原理，涵道内测由于有螺旋桨的高速旋转，带动气流快速下降，涵道外侧气流流动缓慢，所以涵道外侧气压会大于外侧气压，于是空气会产生一部分向上的拉力。也就会提高飞机的动力。但是从机架设计上讲，我们如果增加了四个涵道，也就是增加飞机自身的质量，飞机需要克服飞机自身重量的拉力就更大，因此是否一定使用涵道，或者涵道的材料显现的十分重要。

从动量角度分析，螺旋桨的材料性能，螺旋浆的旋转平面称为匠盘面，螺旋桨对流过浆盘面的空气做功，空气流经浆盘面后动量增加，加速的空气会对螺旋桨产生反作用，这个反作用就是螺旋桨的推力，产生一个V+▲V的速度。

从空气动力学角度分析

螺旋桨可视为一个旋转的机翼，气动原理与机翼相同。螺旋桨垂直于浆经方向的刨面是一个机翼形，称为螺旋桨叶素，每一个叶素都会产生一个气动力，所有叶素的合力即为螺旋桨的产生气动力，该气动力沿飞行方向分力即为螺旋桨的推力，沿旋转方向的分力对旋转中心的力矩即为螺旋桨的扭矩。

螺旋桨直径

螺旋桨直径是指桨间所画圆的直径。一般而言，螺旋桨的直径需要通过发动机功率、转速、无人机飞行速度、桨叶数目、以及螺距综合确定，螺旋桨直径的单位一般是英尺。

桨叶数目

桨叶数目也是螺旋桨的一个重要参数，2叶桨、3叶桨和6叶桨是最常见的螺旋桨。无人机的螺旋桨一般是2叶桨和3叶桨，例如大鹏系列无人机采用的都是2叶桨，我国的彩虹系列无人机采用的是3叶桨。螺旋桨的桨叶数目越多，螺旋桨的可吸收的最大功率越大，但是螺旋桨的效率越低，另外随着桨叶数目的增加，螺旋桨的重量也会随之增加。所以桨叶数目的选择需要结合发动机的功率，在保证具备可以吸收发动机最大功率和螺旋桨直径约束的前提下，尽可能减少桨叶数目，以提高螺旋桨的效率。

叶素

螺旋桨垂直于桨叶径向方向的截面形状称为叶素。这和飞机的机翼类似，可以认为螺旋桨是一个带有大扭转角的机翼。叶素的气动性能直接影响螺旋桨的性能，相同型号的螺旋桨选用的翼型不同，其性能也不同，一般需要通过做大量的计算和测试来确定螺旋桨的性能。

桨叶宽度

叶素弦线长度称为螺旋桨的桨叶宽度 b。由于螺旋桨不同位置的效率不同，桨根和桨尖的效率比中部区域的效率低，因此为了提高螺旋桨的整体效率，中部区域的弦长一般大于桨尖和桨根的弦长。一般采用弦长与螺旋桨半径的比值来表示宽度分布。

螺距

螺旋桨的螺距是指螺旋桨在一个固定介质中旋转一周前进的距离。螺距是由螺旋桨的桨叶角决定的，桨叶角（β）是指叶素弦线与螺旋桨旋转平面的夹角。相同转速（V）下，螺旋桨不同半径位置的线速度（ωr）不同，导致气流的方向角（θ）不同，为了使每个叶素都能在有利迎角（α）下工作，所以桨叶角不是一个固定值，典型的桨叶角分布如图所示。为了满足不同速度的飞行，可以将螺旋桨设计成可变桨距的螺旋桨。在变距机构的控制下，根据飞机的飞行速度的变化，改变螺旋桨的螺距，提高螺旋桨的效率。

桨叶厚度

在任何半径处叶素的最大厚度 C，称为该处桨叶的厚度。为了在保证螺旋桨的强度的前提下尽量减轻重量，螺旋桨的厚度从桨根到桨尖是单调递减的。一般用相对厚度（C/b）来表示螺旋桨的厚度分布。

所以根据以下方式我们采用碳钎维的材料使用更方便一些，下面是关于碳钎维材料螺旋桨的使用论述。

对于高质量的无人机可以帮助我们完成很多工作，除了技术的提升以外，对于无人机材质上也有需要的优化，使用更高性能的材质，就可以更好的提高无人机的材质，碳钎维无人机螺旋桨首先其质量轻，这也让其飞行的能耗比较低，整个续航也就很高。

我们来假设以下，升力为L=1/2（空气密度×速度平分×机翼面积×机翼升力系数），画出机翼的升力曲线：注释在小迎角时曲线斜率是常数，通过图表发现机身在水平时也有升力。

根据滑翔比与升阻比可知滑翔比越大，其飞行距离也就越远（距离大加速度大产生离地速度也就越大）而阻力又和速度有关成曲线关系，假如同样两台无人机，一台使用钢架一台使用碳钎维，这个在SU-27和歼11-B上就能体现出来，歼11-B应该拥有更大的滑翔比。螺旋桨拉力计算公式（静态拉力公式）现在飞行器已经确定了，拉力也计算好了，那么螺旋桨需要多大规格的合适时我们接下来需要研究的步骤，根据公式：直径×螺距×浆宽度×转速的平方×大气压力×经验系数=拉力×螺距×浆宽度×转速×大气压力×经验系数=拉力，那么我们对于特殊气压地区要额外考虑比如西藏，压力在0.6-0.7，1000米以下基本可以取1。

我们拿4768的螺旋桨，转速是1500转/分，和25转/秒，计算可得4.7×2.54=12cm12×6.8×10×25²×1×0.00025=127.5公斤，如果转速达到最大值则拉力等于12×6.8×10×25²×1×0.00025=127.5KN所以根据公式可以看出如果采用刚才材料，将会增加机本身承受的力无法达到更好的预期效果，所以综上所述，应该使用碳钎维的更好。

参考文献：

[1]张元，李建利，张新元，徐敏.碳纤维织物的特点及应用[J].棉纺织技术，2014，42（05）：74-77.

[2]张铁亮.卫星夹层结构分析与结构设计研究[D].南京航空航天大学，2012.

指导老师：

姓名：杨翠丽，年龄：49，籍贯：山东泰安，单位：齐齐哈尔工程学院，民族：汉，学历：本科，研究方向：机械设计制造。