槳葉傳奇

Lingxing

竹蜻蜓像是一個古老的寓言，如同槳葉的前生，都是對天空的向往。本期《焦點》獨家采訪大疆動力工程師揭秘無人機槳葉的誕生與傳奇。

竹蜻蜒是公元前500年前我國的一種飛翔玩具，它以竹或木削成細長扭曲形薄片的葉片，在中間裝一根小棍作立軸，用手摩擦木棍，葉片就會向上快速旋轉而上升。晉朝葛洪所著的《抱樸子·雜應》篇中描繪了通過旋轉的竹蜻蜒垂直升空的情景和通過旋轉的螺旋槳產生垂直的向上拉力，“用棗木心為飛車，以牛革結環劍以引其機……上升四十里”的“飛車”就是竹蜻蜒。

多數90后的童年記憶里的“竹蜻蜓”都來自一只有著百寶箱的機器貓，口袋里裝滿了漫畫家對22世紀的想象。有人在知乎提問：“在多年后的今天，哆啦A夢漫畫中的哪些道具已經被實現了呢？”

有心的答主把漫畫和實景圖放在一起頗為令人感慨，漫畫里能擦地板的機器人、偏光式速成制景相機、自動電子打字機，如今以掃地機器人、3D打印、語音識別的方式走進了普通人的生活。

那個帶著大雄去旅行的竹蜻蜓則酷似無人機的槳葉，為了揭開無人機槳葉的秘密，《焦點》本次獨家采訪了大疆動力部門的工程師。

Q：槳葉的設計都有哪些步驟？

A：設計是對需求的滿足，新的無人機項目組首先會對整機的動力模塊有一個初步的評估，給出整機的一些基本信息，整機重量、軸距等等，然后提出對動力的需求：續航時間、推重比、最大前飛速度、安裝方式、槳葉結構等，收到需求之后開始同步設計電機和槳葉。分析需求后，完整的設計過程主要包括了：前端設計，設計出合適的槳型，進行CFD，然后加工出實物進行測試。

Q：能否介紹一下DJI消費級無人機的產品從精靈系列到Mavic Air的槳葉變化，它們分別有什么特點？

A：DJI消費級無人機槳葉變化主要是安裝結構的改變。安裝結構對飛機性能的影響主要在于兩個方面，一是用戶體驗，包括安裝和攜帶時的體驗，二是對飛機安全性能的影響。

對于精靈系列產品：精靈1到精靈3的一系列都是采用自緊槳的結構設計，這種結構是利用螺紋越轉越緊的原理，加上無人機在飛行過程中，無論是加速還是減速的時候，槳葉都只會沿著一個方向轉動，從而保證飛行過程中槳葉固定得越來越牢固，不會從電機上脫出。

然后在精靈4的設計過程中，采用了一種快拆的結構方式，這種結構方式保證槳葉在不受向下的外力作用下，相對電機而言是無法轉動的，這種結構形式的安全程度更高，且安裝過程非常高效，推出之后更受用戶的歡迎。

對于精靈4的槳，我們稱之為快拆直槳，在其基礎上，針對Mavic Pro產品設計出一種更為便攜的結構，從之前的快拆直槳更迭為快拆折疊槳，這種結構在快拆直槳的基礎上，變得更為便攜，飛行完之后直接把槳葉折疊在一起即可，減少了拆裝的過程，下次飛行的時候也可以做到上電即飛，大大減少用戶的操作難度。

在Spark的這款產品中，延續了Mavic Pro的這種設計方式，搭配上Spark小巧的機身，顯得非常完美。

隨后，在設計Mavic Air的槳葉結構時，考慮到飛機腳架的折疊方式，采用了精靈4的快拆直槳結構，也能夠非常協調地把槳葉折疊到機身之內，直槳和折疊槳在飛行氣動性能上基本無差別，外觀上兼具速度感和流線感。

Q：能否透露一下槳葉上的一串數字和字母是什么含義？

A：以Mavic Pro的折疊槳為例，槳上面標的數字和字母是8330F，首先看數字部分，可以分成83和30，這兩個數字分別代表了槳展開之后的直徑為8.3英寸以及槳的螺距（螺旋槳在一種不能流動的介質中旋轉一圈之后槳平面前進的距離）為3.0英寸，F代表了可折疊的意思，即Folding。

Q：靜音槳是如何變得靜音的？

A：槳在旋轉過程中，會高速切割空氣，從而會產生尖銳的噪聲，目前我們推出的靜音槳主要由兩個途徑來降低噪聲。一是改變槳型。通過選取一個更優的槳型，降低無人機飛行過程中電機轉速，使得無人機的槳葉切割空氣的速度相對而言沒那么快，就能降低一部分的噪聲。

二是槳尖特殊的結構設計。槳葉在旋轉過程中，槳尖轉動的線速度最大，基于這種原理，靜音槳在設計的時候，槳尖稍往后掠，且變得更窄一點的結構方式能減小槳葉切割空氣的聲音，從而實現“靜音”的效果。

Q：在飛行過程中如果有一支或幾支槳葉受損飛機還有可能保持平衡嗎？

A：所謂“保持平衡”我理解為無人機的懸停狀態，首先答案是如果受損區域不大的話，是可以保持懸停的。對于無人機的懸停，從物理角度來考慮就是四個槳葉提供相同的拉力，即1/4的飛機重量，這個時候就可以保持懸停。我們知道，槳葉的拉力跟電機的轉速呈正相關，轉速越大，拉力就越大。那么對于一個受損的槳葉而言，還要求能夠提供那么大的拉力，只需要電機轉速提高到一定程度即可，對于多只槳葉受損也是如此，因此，一只或多只槳受損之后，如果受損區域不太大的話，飛機也是能保持平衡的，但即使能保持平衡，這也是一種不正常的平衡，無人機的機動性能會降低很多，大大增加無人機炸機風險。

Q：在平原地區使用高原槳會有什么后果？

A：高原槳的推出，主要是考慮到用戶在非常高海拔地區的使用需求，高海拔的地區之所以需要相應的高原槳，在于海拔越高，空氣質量越稀薄，使得槳在相同轉速下，所能提供的拉力變小了，從而無法使飛機達到較好機動性能。基于此，高原槳設計必須在電機相同的轉速下，其能提供更大的拉力，從而滿足高原的使用需求。

考慮到高原槳的這種原理，如果在平原地區使用高原槳的話，對無人機也不會有什么影響，也能正常飛行。

Q：未來是否會有針對低溫或者其他可能的極端環境的槳葉？

A：我們知道，在極度低溫和潮濕的環境中使用無人機，會使得槳葉上結冰，結冰之后會影響槳的氣動性能，導致飛行存在風險。未來如果有比較好的技術，會考慮設計針對低溫環境使用的槳葉。

Q：如果槳葉裝反了是否還能起飛？會呈現什么狀態？

A：目前我們提到的四軸多旋翼無人機都是配的4只槳葉，按照旋轉方向可以分為2只正槳和2只反槳。你說的裝反了應該是把正槳裝到反槳配合的電機上，反槳也在正槳配合的電機上了。

首先要說明的是我們在設計槳結構的時候就考慮到了這一點，并從結構上完全避免了這種情況的發生，如果互換了安裝的槳之后，槳是根本不可能被裝進去的，我們稱之為“防呆”。

然后如果強行破壞了防呆結構，將正反槳的安裝位置對調了，在這種情況下推桿的話，槳不會產生一個向上的拉力，此時APP會提示用戶存在異常，無人機無法起飛。

Q：槳葉作為一種消耗品，它的建議使用時間是多長？（以Mavic Pro為例，飛行多少距離需要更換）

A：我們在設計完一款槳之后，都會有槳的一套測試標準，以Mavic Pro為例，目前我們對槳的要求是至少必須要能連續暴力飛行滿300小時不出任何結構問題，以30分鐘為一個架次，每架次飛行10公里，那么至少能滿足用戶600個飛行架次，約6000公里以上了。

當然這是槳在沒有受損的情況下的數據，如果用戶在實際飛行過程中，槳不小心被誤傷，出現了破損，那就強烈建議換掉，減小飛行風險。