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?zé)o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(xì)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(zhuǎn)而上升。晉朝葛洪所著的《抱樸子·雜應(yīng)》篇中描繪了通過旋轉(zhuǎn)的竹蜻蜒垂直升空的情景和通過旋轉(zhuǎn)的螺旋槳產(chǎn)生垂直的向上拉力，“用棗木心為飛車，以牛革結(jié)環(huán)劍以引其機……上升四十里”的“飛車”就是竹蜻蜒。

多數(shù)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(jì)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(jīng)被實現(xiàn)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(jìn)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(shè)計都有哪些步驟？

A：設(shè)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(xù)航時間、推重比、最大前飛速度、安裝方式、槳葉結(jié)構(gòu)等，收到需求之后開始同步設(shè)計電機和槳葉。分析需求后，完整的設(shè)計過程主要包括了：前端設(shè)計，設(shè)計出合適的槳型，進(jìn)行CFD，然后加工出實物進(jìn)行測試。

Q：能否介紹一下DJI消費級無人機的產(chǎn)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(jié)構(gòu)的改變。安裝結(jié)構(gòu)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(chǎn)品：精靈1到精靈3的一系列都是采用自緊槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)是利用螺紋越轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計過程中，采用了一種快拆的結(jié)構(gòu)方式，這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動的，這種結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，針對Mavic Pro產(chǎn)品設(shè)計出一種更為便攜的結(jié)構(gòu)，從之前的快拆直槳更迭為快拆折疊槳，這種結(jié)構(gòu)在快拆直槳的基礎(chǔ)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(chǎn)品中，延續(xù)了Mavic Pro的這種設(shè)計方式，搭配上Spark小巧的機身，顯得非常完美。

隨后，在設(shè)計Mavic Air的槳葉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，也能夠非常協(xié)調(diào)地把槳葉折疊到機身之內(nèi)，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?dāng)?shù)字和字母是什么含義？

A：以Mavic Pro的折疊槳為例，槳上面標(biāo)的數(shù)字和字母是8330F，首先看數(shù)字部分，可以分成83和30，這兩個數(shù)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(zhì)中旋轉(zhuǎn)一圈之后槳平面前進(jìn)的距離）為3.0英寸，F(xiàn)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(zhuǎn)過程中，會高速切割空氣，從而會產(chǎn)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(yōu)的槳型，降低無人機飛行過程中電機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計。槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中，槳尖轉(zhuǎn)動的線速度最大，基于這種原理，靜音槳在設(shè)計的時候，槳尖稍往后掠，且變得更窄一點的結(jié)構(gòu)方式能減小槳葉切割空氣的聲音，從而實現(xiàn)“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(tài)，首先答案是如果受損區(qū)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(zhuǎn)速呈正相關(guān)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(fēng)險。

Q：在平原地區(qū)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(qū)的使用需求，高海拔的地區(qū)之所以需要相應(yīng)的高原槳，在于海拔越高，空氣質(zhì)量越稀薄，使得槳在相同轉(zhuǎn)速下，所能提供的拉力變小了，從而無法使飛機達(dá)到較好機動性能?；诖耍咴瓨O(shè)計必須在電機相同的轉(zhuǎn)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(qū)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(huán)境的槳葉？

A：我們知道，在極度低溫和潮濕的環(huán)境中使用無人機，會使得槳葉上結(jié)冰，結(jié)冰之后會影響槳的氣動性能，導(dǎo)致飛行存在風(fēng)險。未來如果有比較好的技術(shù)，會考慮設(shè)計針對低溫環(huán)境使用的槳葉。

Q：如果槳葉裝反了是否還能起飛？會呈現(xiàn)什么狀態(tài)？

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(zhuǎn)方向可以分為2只正槳和2只反槳。你說的裝反了應(yīng)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(shè)計槳結(jié)構(gòu)的時候就考慮到了這一點，并從結(jié)構(gòu)上完全避免了這種情況的發(fā)生，如果互換了安裝的槳之后，槳是根本不可能被裝進(jìn)去的，我們稱之為“防呆”。

然后如果強行破壞了防呆結(jié)構(gòu)，將正反槳的安裝位置對調(diào)了，在這種情況下推桿的話，槳不會產(chǎn)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(shè)計完一款槳之后，都會有槳的一套測試標(biāo)準(zhǔn)，以Mavic Pro為例，目前我們對槳的要求是至少必須要能連續(xù)暴力飛行滿300小時不出任何結(jié)構(gòu)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(dāng)然這是槳在沒有受損的情況下的數(shù)據(jù)，如果用戶在實際飛行過程中，槳不小心被誤傷，出現(xiàn)了破損，那就強烈建議換掉，減小飛行風(fēng)險。