無人機螺旋槳槳距測量儀的設計與使用

王剛，姚軍，王新華，邢海軍

中國人民解放軍95894部隊，北京市 102211

闡述了螺旋槳槳距測量儀的設計背景、設計理念，分析了產品的可行性、可靠性，研究了產品的使用材料和加工工藝，進一步介紹了產品的使用方法及應用效果，提出了下一步改進意見和研發方向，對于滿足工作需要、提高工作效率、保證飛行安全有極為重要的作用。

無人機所用的螺旋槳是靠槳葉在空氣中旋轉將發動機轉動功率轉化為推進力的一種裝置。所謂槳距角（Pitch Angle）也稱節距角，顧名思義，就是槳葉距離上的夾角，即槳葉長度的75%處所對應的槳葉弦長與旋轉平面之間的夾角，如圖1中的β角所示。螺旋槳槳距角的大小直接影響著發動機轉速及飛行器推進力的大小。尤其對于可變距螺旋槳，在試驗階段要多次測量螺旋槳槳距角的大小，用于研究發動機轉速的變化及相應的工作性能，所以，研發一套快速、準確測量螺旋槳槳距角的儀器對于滿足工作需要、提高工作效率極為重要。

圖1 螺旋槳槳矩角示意圖

圖2 萬能角度尺

螺旋槳槳距測量儀的設計

設計螺旋槳槳距測量儀的技術背景

現代螺旋槳飛行器大多采用槳葉角可調節的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行的實際需要來調整槳葉角，以提高螺旋槳的工作效率、保證飛行安全。由于螺旋槳在旋轉過程中，槳根和槳尖的圓周速度不同，所以，為了保持槳葉各部分都處于最佳空氣動力狀態，通常把槳根的槳葉角設計成最大，沿槳葉徑向依次遞減，槳尖的槳葉角最小。一般來講，在螺旋槳未裝機前測量螺旋槳的槳距角是比較容易進行的，通常以水平面為基準參考面，然后利用萬能角度尺（如圖2所示）即可測定。但是，當螺旋槳安裝到發動機上以后，基準參考面很不容易確定，所以要直接測量螺旋槳的槳距角就比較困難。以往測量螺旋槳槳距角采用的方法通常是：一個人先用兩只手將基準參考面推按在螺旋槳槳平面上，使之與螺旋槳旋轉平面平行，然后另外一個人再利用萬能角度尺測量。這種測量方法的缺點是顯而易見的：一方面，基準參考面沒法固定安裝，工作人員用手抓持、推按都容易使其產生晃動或者傾斜，經常造成測量誤差較大、測量數值不夠準確、損傷變距電機等等影響試驗過程和試驗結果的問題；另一方面，完成這項工作需要兩個人同時配合協作，耗費較多的人力和時間，工作效率較低。工作的需要就是科技創新的動力，所以，新的螺旋槳槳距測量儀就是在這種背景下研發設計的。

新螺旋槳槳距測量儀的設計理念

圖3 螺旋槳槳距測量儀的安裝

以前傳統螺旋槳槳距測量方法存在的不足，實際上也是研究開發新的槳距測量儀所要解決的主要矛盾。所以，設計新螺旋槳槳距測量儀所要秉持的理念即：一是要建立一個標準的基準參考面，而且要操作簡單、安裝方便；二是要節省人力，方便易行；三是要節省材料、減輕重量、節約成本。所以，針對第一和第二個設計理念，設計時選擇螺旋槳變槳距電機為安裝基準點，將基準參考面板件的一端用合頁式卡箍懸掛在變槳距電機外側，再用螺栓配合元寶螺母鎖緊，以達到快速穩妥固定的目的，其原因在于變槳距電機軸向與螺旋槳旋轉平面相互垂直，基準參考面板件固定好后，能夠保證基準參考面與螺旋槳旋轉平面平行。合頁式卡箍與變槳距電機接觸面之間要加墊比較薄的膠皮，目的在于不損傷電機且保證兩者之間能夠穩定接觸（如圖2所示）。基準參考面板件的設計尺寸為：寬80mm，長695mm，厚13mm，其末端正對槳葉長度的75%處，如圖3所示。在基準參考面板件末端正面有一直角開槽，其作用是使用萬能角度尺時可以將其測量尺部分與直角開槽貼合卡緊，以便于測量時不會發生側滑。針對第三個設計理念，基準參考面板件使用的材質設計為鋁合金。由于鋁制品表面的自然氧化鋁既軟又薄，耐腐蝕性較差，不能成為有效防護層，所以本產品對其表面進行了黑色陽極化處理，以提高其抗蝕性和硬度。另外，為了節省材料、減輕重量、節約成本，基準參考面板件測量端中間過渡段加工為空心，而且固定端與測量端分開加工，使用螺接方式進行連接，重量大約為0.7kg。詳細的結構設計見圖4、圖5、圖6。

螺旋槳槳距測量儀的使用

使用方法

螺旋槳槳距測量儀的使用方法簡單易行。首先，將基準參考面用合頁式卡箍和一個銷釘固定在螺旋槳變距電機上，調整基準參考面與螺旋槳旋轉平面平行且二者同時與地面垂直，再用萬能角度尺測量尺端卡在基準面底端，旋轉萬能角度尺的調整螺釘使萬能角度尺另一邊與槳葉頁面貼合，然后擰緊鎖緊螺釘，讀取萬能角度尺上的角度值即為所要測量的槳距角（如圖7所示）。如果要測量另外一個槳葉的槳距角時，則先要松開元寶螺母，按螺旋槳旋轉方向轉動螺旋槳，至基準參考面和槳葉都與地面垂直時再擰緊元寶螺母，然后按上述測量方法依次進行，所有工作一個人即可完成。通過試驗發現，這種螺旋槳槳距測量儀不僅可以滿足工作需要，快速、準確測量螺旋槳槳距角，而且攜帶方便、節省人力，明顯提高了工作效率。

圖4 螺旋槳槳距測量儀配件1

圖5 螺旋槳槳距測量儀配件2

圖6 螺旋槳槳距測量儀配件3

使用注意事項

（1）合頁式卡箍與變距電機之間的固定要穩固，不能左右或前后搖晃，防止影響測量精度甚至損壞變距電機；

（2）螺旋槳槳距測量儀的基準參考面要與被測槳葉平行且二者同時與地面垂直；

（3）萬能角度尺測量尺與基準參考面及測量面的貼合要緊密；

（4）在換測另一個槳葉的槳距角時，一定要先松開元寶螺母，然后才能轉動螺旋槳；

圖7 萬能角度尺與槳距測量儀的配合使用

（5）螺旋槳槳距測量儀的存放要穩妥，防止損傷變形。

應用效果

目前，這種螺旋槳槳距測量儀已經研制成功，形成產品。在實際工作中，該產品有效地解決了飛行器可變距螺旋槳槳距角測量難的問題，明顯提高了工作效率，受到廣大用戶的普遍青睞。因其操作簡單方便、使用效果良好，所以現在已經被定型為某型飛機的隨機設備。

螺旋槳槳距測量儀的優缺點及改進意見

優缺點

相對傳統測量儀器而言，該螺旋槳槳距測量儀的優點在于攜帶方便、操作簡單、測量準確、成本低廉、穩定可靠、不易損壞、制造維修方便等等。但是，從研究者的角度來看，該產品略顯不足之處在于：這種螺旋槳槳距測量儀屬于全機械裝置，基準參考面的安裝、調整以及槳距角測量值的讀取等，完全要通過人工來完成，與利用光電掃描、電子計數等先進技術的測量儀器相比，這種螺旋槳槳距測量儀延長了測量時間，增加了測量誤差，降低了測量精確度。

改進意見

隨著科學技術的迅猛發展，光電遙感等新技術和特種塑料等新材料在科研生產領域內的應用已經相當廣泛。考慮到螺旋槳槳距測量儀的實際工作情況，建議在進一步的研究設計中從以下幾個方面加以改進：一是將其角度測量部分加以改良，使其能夠利用光電掃描、電子計數等先進技術科學快速的測量槳距角，進一步提高槳距測量儀的便捷性和準確性；二是在基準參考面的安裝固定部分，可以考慮使用磁性材料，省去反復擰緊螺母的麻煩；三是基準參考面使用的鋁合金材料可以考慮換為某種特殊塑料，既可以降低成本，又可以方便加工。當然，最終的改進方案需要在這幾個方面之間達成平衡，使新的產品使用更方便、效率更高、成本更低。■