螺旋槳—活塞式小型無人機可用功率估算

王曉偉

摘 要：研究了螺旋槳式發動機可用功率的計算方法，建立了螺旋槳-活塞發動機式小型無人機概念設計階段可用功率估算的設計和計算模型。

關鍵詞：小型無人機；螺旋槳；可用功率估算；活塞發動機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.237

0 引言

隨著無人機應用范圍的擴展，對無人機發動機性能的要求也越來越高。螺旋槳式活塞發動機在長期使用過程中體現了自身的優點，具有體積小、質量輕、耗油率低、低速時推力大、結構簡單，便于維護等優點，因此世界上大多數小型低速無人機選擇活塞式發動機。

小型無人機的飛行性能主要依靠動力裝置，因此估算螺旋槳式活塞發動機的可用功率是小型無人機飛行性能計算過程中的重點之一。本文主要通過經驗公式和估算曲線對發動機的可用功率進行估算。

1 螺旋槳特性及選擇

螺旋槳可分為定距螺旋槳和恒速螺旋槳[1]。對于小型活塞發動機來說，定距螺旋槳具有成本低，結構簡單的特點，所以被廣泛采用。 螺旋槳槳距是指螺旋槳在不打滑和效率不損失的情況下，每轉動一圈向前移動的距離。槳距和槳葉角互成比例[2]。

在確定發動機型號和性能之后，要實現飛行器能夠進行長時間的巡航，可以找到與發動機匹配最佳的螺旋槳，使發動機在保證功率輸出的情況下工作在較為經濟的狀態。所以在發動機定型后選擇合理的螺旋槳至關重要。

在初步設計過程中，螺旋槳的直徑選擇方法進行估算。

一，根據槳尖速度限制進行估算。直徑的估算公式為：

對于低速飛機，從材料角度區分，木質槳的槳尖速度Mtip要小于等于0.6馬赫，金屬槳小于等于0.8馬赫。

二，從發動機功率進行估算，螺旋槳直徑的估算公式為[2]：

式中：Hp是指發動機馬力。該公式適用于10-600Hp的發動機。

螺旋槳直徑的選擇，若單從氣動角度考慮，直徑增大則效率就提高，但效率并不只是僅由直徑決定的，同時直徑加大，槳尖切線速度增大，螺旋槳噪聲增高；另外，直徑加大，螺旋槳重量增加，安裝間距變小。因此，在選取螺旋槳直徑時要注意綜合分析、兼顧各方，以求取得最佳效果。

2 螺旋槳效率修正及可用功率計算

2.1 螺旋槳效率。

一般廠商提供的效率是自由效率。滑移損失的大小決定了螺旋槳效率的大小，一般螺旋槳效率為50% 一85% 。

2.2 螺旋槳效率修正。

根據發動機特性和螺旋槳直徑，可求出螺旋槳的相對進距比J和功率系數與高度和飛行速度之間的關系，通過圖1[2]可查得螺旋槳效率。

機身或短艙對氣流產生阻滯作用，導致螺旋槳氣動效果下降。機身對效率降低程度與螺旋槳直徑相對機身大小有關[2]。此時，需對螺旋槳效率進行修正。其修正公式如下

Jeff——修正后的進距比，按此進距比在效率曲線圖上查出的效率，才是進行飛機性能計算的真正效率。

有的螺旋槳廠商，按匹配飛機的具體情況，提供了已修正過的效率曲線，但一種修正，只適用于一種飛機。

2.3 發動機可用功率計算。

由于空氣密度隨高度變化，發動機的有效功率隨高度變化而變化，詳見公式（6）。其中，下標“H”表示高度為H時的參數，下標“0”表示高度為零時的參數。

根據公式（7）求得的發動機在空中的有效功率P，結合螺旋槳效率及其修正系數，利用經驗公式可求得螺旋槳發動機可用功率。

根據以上公式，可以求出不同高度下發動機的可用功率。

3 結論

通過以上經驗公式和曲線，可以得到一種計算螺旋槳式活塞發動機有效功率的計算方法。該方法簡單有效，適用于初始總體設計階段，可以迅速獲得小型無人機性能估算需要的數據。

參考文獻：

[1]李汝輝，吳一黃.活塞式航空動力裝置[M].北京航空航天大學出版社，2008 .

[2]飛機設計手冊，第13部——動力裝置系統設計[M].航空工業出版社，2006.