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大疆动力工程师告诉你无人机桨叶背后的玄机

  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》杂志独家采访了大疆动力部门的工程师。下面带来他们采访的详细内容。

  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“御”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“御”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“晓”Spark的这款产品中,延续了Mavic Pro的这种设计方式,搭配上“晓”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。

  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。

  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,目前我们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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  看似简单的桨叶背后,是先进工程技术和空气动力学的交互杰作,确保了无数次安全而稳定的起降和飞行。想了解更多DJI产品,点击“阅读原文”。

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