無槳葉無人機的開發研究

□王 旺 米慧欣 邱 蓉 唐耀輝 郭樹冠

無人機航模運動以其技巧性和可操作性的特點受到青少年喜愛，但部分青少年安全意識不足，不注重個人防護，在飛行過程中極易發生危險，導致部分家長對青少年無人機運動產生極大的不信任感，也因此阻礙了一部分潛在愛好者的參與。低空無人機的主要風險在于槳葉外露，葉片轉動時產生的力量破壞力巨大，存在較大的安全隱患，現有無人機的主要安全措施是安裝槳葉保護罩、增加視覺避障、安裝場地防護網等。如果能設計制作出一款無葉無人機，以上問題就可以得到更好解決。

一、無槳葉無人機設計需求

目前多旋翼無人機以其結構簡單、成本較低被廣泛用于多個領域，然而隨著無人機的廣泛運用，越來越復雜的使用環境帶來了更為嚴峻的安全考驗，需要對其安全設計加以更新。在目前常見的安全保護如加裝槳葉保護罩，其制作簡單，更換方便得以更為廣泛地使用，但是由于保護罩需要考慮重量、透風量以及成本，使得保護罩的保護效果被極大限制，在高速高質量的無人機運用中往往易產生形變，防護效果也不盡人意。除了對無人機本體機械結構的保護設計外，部分無人機也加入了多種智能化設備，如視覺避障、光流避障等，這些電子設備的加入極大保障了無人機的使用安全，但是由于其成本較高，水面、霧天等特殊環境中使用效果不理想也限制了其廣泛普及。由于無人機實際運用中空曠、明朗、無干擾的理想飛行作業環境往往少見或不可求，因此無人機的保護措施應當去適應多種環境。無人機高速旋轉的槳葉是無人機造成危險事件的重要因素之一，因此，開展無人機無槳葉化的設計研究，是提升無人機安全保護效果的首選。

二、無槳葉無人機設計分析

(一)新型無槳葉無人機整體結構。選擇對傳統的旋翼無人機進行重組優化來完成新型無槳葉無人機的設計，新型無槳葉無人機包括飛行控制系統、遙控遙測系統、機身結構系統、動力系統四個主要部分。

1.動力系統。動力系統是新型設計的主要部分，去除了傳統外露槳葉，采用動力輸出圈提供反向的推力達到為無人機提供動力的目的。新型的動力系統包括動力輸出圈、內置電機、渦輪風扇、電調。

2.飛行控制系統。飛行控制系統是飛機大腦，是無人機進行遙控信號處理、飛行指令執行、姿態調整和飛行數據監控等的重要部分。主要包括微控制器、氣壓計、陀螺儀、加速劑、磁強計和其他功能開發板。

3.遙控遙測系統。遙控遙測系統是飛機的人機溝通渠道，該系統能將操作人員的操作指令以特定的方式傳入飛行控制系統以實現對飛行器的控制，同時反饋飛行器的飛行信息以幫助操控人員更好地掌握無人機的飛行狀態。包括遙控器、與遙控器適配的接收機以及部分作業需求的圖傳和相應的接收裝置。

4.機身結構系統。機身結構系統是飛機的骨骼支架，為飛機提供儀器承載和保護，機身結構的設計關系到飛機性能的好壞和使用者的用戶體驗。包括機身、機架、機身護板以及相應的保護罩等。

(二)無槳葉動力系統設計。

1.無槳葉動力系統原理。無槳葉無人機的動力系統是基于空氣倍增機的開發和應用，由出風圈和送風系統組成。送風系統中微型風機工作將外界空氣吸入送風口，經由風機升壓后的空氣，從一個1mm左右寬的環形出風口吹出，出風圈水平安置，出風口位于出風圈頂部。空氣被強制從這一環形細縫里吹出來，緊靠著出風口的地方有一個科恩達表面，依據伯努利原理，氣流吹出后由于流速的減緩會吸附于其便面流動，會在該處形成科恩達效應，氣流貼附出風圈內環外表面流動，很大程度降低了過流區域尺寸改變而引起回流造成的能量損失，同時急速流動的氣流貼附出風圈內環表面會因為霧沫夾帶原理帶動周圍空氣隨之流動，出風圈上方氣流不斷朝著噴出氣流方向流動，從而在其上方產生負壓，整個動力輸出圈上方的氣流也會不斷吸入以維持壓力平衡，最終噴出氣流加上附隨氣流的共同作用，無人機動力輸出氣流較風機吸入氣流增強15倍及以上。氣流急速噴出為飛行器提供推動力，在控制飛行器整體重量和提高風機的功率條件下實現飛行器達到相應飛行姿態。

2.無槳葉動力系統設計。無槳葉動力系統包括出風圈、微型電機、渦輪風扇和電調。無槳葉系統的主要過流部件包括出風圈和內置風機。

(1)小間隙出風口設計。出風口的結構決定了動力系統的出風效果，其主要結構參數包括出風圈表面直徑和出風口間隙，在進口流量固定的情況下出風口越小出風速度越大，無人機需要流速快壓力大的流體為其提供動力，因此不建議采用低壓大間隙的出風口設計，小間隙的設計固然能較好的壓縮氣體并高速釋放，但這也需要內置風機提供較高的全壓。在無人機應用上設計的出風圈截面圖如圖1所示，出于對無人機重量以及功率的把控，采用小間隙無葉出風口建議配備高轉速輕量化電機，在整體框架材料上保證結構剛性的同時盡可能減輕無人機整體重量。出風圈的內外表面光滑程度也將影響流體流動的能量損耗，出風圈較窄一端為收縮端，從窄到寬的過渡面為擴散面，在研究中發現可采用對擴散面進行一定的曲率設計來制作內腔體，從而達到空氣在腔體內流動阻力減少，降低能量損耗。

圖1 小間隙出風截面圖

(2)風機設計。風機可采用基座風機吸風、中置風機加壓的組合設計，本研究擬采用透平機械來設計風機。旋轉的葉輪與流體相互作用，將機械能轉換變成流體能量從而提供無人機動力，混流壓縮機是設計透平機械的一種，可以提高氣體壓力，并輸送氣體，本文設計方案為混流式壓縮機，其扇葉尺寸也選擇盡可能貼近入風口內壁的尺寸以增大過流部件密封性，扇葉平面朝向與旋轉軸成某一夾角。基座風機位于入風口處，其目的在于吸入大量的空氣并傳遞入送風管內，中置風機位于送風管內，其目的在于對流體進行加壓以滿足出風口高速氣流的噴出。基座風機的轉速低于中置風機，但其槳葉面積高于中置風機槳葉因此能吸入較大流量的氣體。設計方法借鑒了已有無葉風扇的設計方法，如圖2所示。

圖2 無葉無人機整體設計圖

(3)電子設備設計。電子設備包括電機和電調，電機為葉輪轉動提供動力，電調對電機的轉速進行調控。電機的搭配可采用現有航模設備所使用的主流電機，由于需要內置基座中，電機的尺寸和功率需要進行妥協，選擇轉子直徑小于風殼的電機，而電調則選擇對應功率的型號即可。實際使用中可能會由于槳葉選用尺寸的差異對電機進行不同選擇:葉輪受風面積較大選擇轉速較低的電機，葉輪受風面積較小可選擇轉速較高的電機。電子設備除電機以外的設備均裝置在過流部件外部避免影響風道流通。

三、無槳葉無人機的優勢與應用

(一)設計優勢。一是無葉設計采用硬質出風圈代替傳統槳葉的辦法，解決了槳葉旋轉產生絞割的安全問題，也為無人機的安全配置提供了更多的可能性，如安全傘、安全氣囊等措施，大大降低了無人機的事故率。二是在滿足風量輸入和輸出的情況下，機身的設計具有更多可能性，出風圈的外形不局限于環形設計，也可根據需要適當改變，具備更高的拓展性，如可將圓環狀的出風圈設計為橢圓狀出風圈等。三是無葉化設計打破傳統無人機依賴槳葉的設計，從根本上解決無人機槳葉存在的安全性問題，從而實現無人機能更加安全地普及至各個領域的目標。

(二)應用范圍。

1.在航模教育中應用。無槳葉無人機是無人機航模運動全面普及的強大助力，無葉化設計在教學中可以更加有效地保障使用者的安全。在教學過程中，可以防止新手操作不穩定導致飛行器飛向人群而帶來的傷害，并減少防護措施限制條件。

2.在創客教育中應用。無葉化的設計在滿足基本流體通道提供動力的前提下為飛行器的外形提供了更多的拓展性設計，如對出風圈的異型設計可將圓環狀的出風圈設計為橢圓狀或者其他形狀。

3.在較高安全性的復雜環境中應用。無葉化使得設計的無人機安全性極大提高，減少了飛行器碰撞和誤操作帶來的危害，如在障礙物相對密集的環境中飛行作業，即使發生輕微的碰撞也不至于影響飛行器的整體水平穩定。

四、結語

無葉無人機是一種新型的飛行器設計，除了滿足飛行器的基本飛行需求之外，安全性和穩定性的提升也會推進無人機的發展與普及。無葉無人機的安全性將遠遠高于傳統槳葉無人機，在保護使用者安全的同時也極大地保障了飛行器的本體安全。由于解決了槳葉纏繞問題，無槳葉結構給無人機的機體設計帶了更多可能，如增設緊急降落傘、安全氣囊等，在滿足基本流體要求的同時無人機的出風圈也將有更多的異型設計。