碳釬維材料在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用

陳思行

摘? 要：隨著科技的進(jìn)步，人們生活水平的提高，對(duì)于高科技產(chǎn)品的需要求量也變的越來(lái)越大，但是通過(guò)對(duì)合理材料的使用來(lái)降低產(chǎn)品的安全系數(shù)與價(jià)格成本就顯現(xiàn)的很重要，本次論文主要是圍繞著碳釬維螺旋槳在無(wú)人機(jī)的應(yīng)用以及對(duì)于材料方面的使用要求和實(shí)惠的經(jīng)濟(jì)進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);螺旋槳;碳釬維材料

科技在進(jìn)步，人們生活水平變的越來(lái)越優(yōu)越，取之而來(lái)的是高科技在生活中的應(yīng)用鋪及，今天我們拿無(wú)人機(jī)為例，無(wú)人機(jī)逐漸得到普及，無(wú)論是在表演、航拍、偵測(cè)、警用、探測(cè)、物流、救災(zāi)中我們經(jīng)常能看見(jiàn)他們的身影，如果在惡劣環(huán)境中，無(wú)人機(jī)的性能要求也會(huì)很高，就拿我們今天所說(shuō)的機(jī)翼為例，一般材料為合金、復(fù)合材料或者高性能的工程塑料，聚塞龍的PP11120HF就是用于無(wú)人機(jī)機(jī)翼材質(zhì)之一，但是如果沒(méi)有螺旋槳，無(wú)人機(jī)無(wú)異于是一堆廢鐵，但是無(wú)人機(jī)螺旋槳的材料的優(yōu)越關(guān)乎其飛行的穩(wěn)定性以及安全性能。材料劣質(zhì)的螺旋槳會(huì)因?yàn)槠洳牧系脑蝻w成碎片，而整個(gè)無(wú)人機(jī)也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)劣質(zhì)的螺旋槳破裂而損壞。往往螺旋槳是最先摔壞的零部件。

在選用無(wú)人機(jī)螺旋槳時(shí)其材料也分很多種，有木制、塑料、玻纖、碳釬維，其中木制材料優(yōu)點(diǎn)是重量輕、易加工、成本低，其缺點(diǎn)是制作工藝繁所，成品精度低，木槳在飛行過(guò)程中的震動(dòng)程度比較適中。塑料螺旋槳優(yōu)點(diǎn)是易于加工，成本低，模具加工精度高，重量輕，缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，易斷漿。碳纖維螺旋槳，玻纖特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度和彈性系數(shù)高，價(jià)格便宜，但是其性脆和耐磨性差。碳纖優(yōu)點(diǎn)是重量輕，抗張強(qiáng)度高，耐磨擦，其缺點(diǎn)是材性屬于性脆弱材料，無(wú)法修復(fù)，加工困難，制作成本高。碳釬維的震動(dòng)要比其他材料的震動(dòng)要高，因?yàn)樗旧淼牟馁|(zhì)強(qiáng)度高。

因此無(wú)人機(jī)螺旋槳對(duì)材料要求強(qiáng)度、高韌性、高流動(dòng)，一般采用合金、復(fù)合材料或者高性能的工程塑料，聚賽龍的PP1120HF就用于無(wú)人機(jī)機(jī)翼材質(zhì)之一。

我們以直徑為4.7英寸，螺距為6.8，弦長(zhǎng)為1.5的塑料二葉槳為例進(jìn)行分析，采用塑料材料主要是因?yàn)槠湟子诩庸さ膬?yōu)點(diǎn)，根據(jù)伯努力原理，涵道內(nèi)測(cè)由于有螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)氣流快速下降，涵道外側(cè)氣流流動(dòng)緩慢，所以涵道外側(cè)氣壓會(huì)大于外側(cè)氣壓，于是空氣會(huì)產(chǎn)生一部分向上的拉力。也就會(huì)提高飛機(jī)的動(dòng)力。但是從機(jī)架設(shè)計(jì)上講，我們?nèi)绻黾恿怂膫€(gè)涵道，也就是增加飛機(jī)自身的質(zhì)量，飛機(jī)需要克服飛機(jī)自身重量的拉力就更大，因此是否一定使用涵道，或者涵道的材料顯現(xiàn)的十分重要。

從動(dòng)量角度分析，螺旋槳的材料性能，螺旋漿的旋轉(zhuǎn)平面稱(chēng)為匠盤(pán)面，螺旋槳對(duì)流過(guò)漿盤(pán)面的空氣做功，空氣流經(jīng)漿盤(pán)面后動(dòng)量增加，加速的空氣會(huì)對(duì)螺旋槳產(chǎn)生反作用，這個(gè)反作用就是螺旋槳的推力，產(chǎn)生一個(gè)V+▲V的速度。

從空氣動(dòng)力學(xué)角度分析

螺旋槳可視為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，氣動(dòng)原理與機(jī)翼相同。螺旋槳垂直于漿經(jīng)方向的刨面是一個(gè)機(jī)翼形，稱(chēng)為螺旋槳葉素，每一個(gè)葉素都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力，所有葉素的合力即為螺旋槳的產(chǎn)生氣動(dòng)力，該氣動(dòng)力沿飛行方向分力即為螺旋槳的推力，沿旋轉(zhuǎn)方向的分力對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的力矩即為螺旋槳的扭矩。

螺旋槳直徑

螺旋槳直徑是指槳間所畫(huà)圓的直徑。一般而言，螺旋槳的直徑需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、無(wú)人機(jī)飛行速度、槳葉數(shù)目、以及螺距綜合確定，螺旋槳直徑的單位一般是英尺。

槳葉數(shù)目

槳葉數(shù)目也是螺旋槳的一個(gè)重要參數(shù)，2葉槳、3葉槳和6葉槳是最常見(jiàn)的螺旋槳。無(wú)人機(jī)的螺旋槳一般是2葉槳和3葉槳，例如大鵬系列無(wú)人機(jī)采用的都是2葉槳，我國(guó)的彩虹系列無(wú)人機(jī)采用的是3葉槳。螺旋槳的槳葉數(shù)目越多，螺旋槳的可吸收的最大功率越大，但是螺旋槳的效率越低，另外隨著槳葉數(shù)目的增加，螺旋槳的重量也會(huì)隨之增加。所以槳葉數(shù)目的選擇需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，在保證具備可以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下，盡可能減少槳葉數(shù)目，以提高螺旋槳的效率。

葉素

螺旋槳垂直于槳葉徑向方向的截面形狀稱(chēng)為葉素。這和飛機(jī)的機(jī)翼類(lèi)似，可以認(rèn)為螺旋槳是一個(gè)帶有大扭轉(zhuǎn)角的機(jī)翼。葉素的氣動(dòng)性能直接影響螺旋槳的性能，相同型號(hào)的螺旋槳選用的翼型不同，其性能也不同，一般需要通過(guò)做大量的計(jì)算和測(cè)試來(lái)確定螺旋槳的性能。

槳葉寬度

葉素弦線長(zhǎng)度稱(chēng)為螺旋槳的槳葉寬度 b。由于螺旋槳不同位置的效率不同，槳根和槳尖的效率比中部區(qū)域的效率低，因此為了提高螺旋槳的整體效率，中部區(qū)域的弦長(zhǎng)一般大于槳尖和槳根的弦長(zhǎng)。一般采用弦長(zhǎng)與螺旋槳半徑的比值來(lái)表示寬度分布。

螺距

螺旋槳的螺距是指螺旋槳在一個(gè)固定介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離。螺距是由螺旋槳的槳葉角決定的，槳葉角（β）是指葉素弦線與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面的夾角。相同轉(zhuǎn)速（V）下，螺旋槳不同半徑位置的線速度（ωr）不同，導(dǎo)致氣流的方向角（θ）不同，為了使每個(gè)葉素都能在有利迎角（α）下工作，所以槳葉角不是一個(gè)固定值，典型的槳葉角分布如圖所示。為了滿足不同速度的飛行，可以將螺旋槳設(shè)計(jì)成可變槳距的螺旋槳。在變距機(jī)構(gòu)的控制下，根據(jù)飛機(jī)的飛行速度的變化，改變螺旋槳的螺距，提高螺旋槳的效率。

槳葉厚度

在任何半徑處葉素的最大厚度 C，稱(chēng)為該處槳葉的厚度。為了在保證螺旋槳的強(qiáng)度的前提下盡量減輕重量，螺旋槳的厚度從槳根到槳尖是單調(diào)遞減的。一般用相對(duì)厚度（C/b）來(lái)表示螺旋槳的厚度分布。

所以根據(jù)以下方式我們采用碳釬維的材料使用更方便一些，下面是關(guān)于碳釬維材料螺旋槳的使用論述。

對(duì)于高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)可以幫助我們完成很多工作，除了技術(shù)的提升以外，對(duì)于無(wú)人機(jī)材質(zhì)上也有需要的優(yōu)化，使用更高性能的材質(zhì)，就可以更好的提高無(wú)人機(jī)的材質(zhì)，碳釬維無(wú)人機(jī)螺旋槳首先其質(zhì)量輕，這也讓其飛行的能耗比較低，整個(gè)續(xù)航也就很高。

我們來(lái)假設(shè)以下，升力為L(zhǎng)=1/2（空氣密度×速度平分×機(jī)翼面積×機(jī)翼升力系數(shù)），畫(huà)出機(jī)翼的升力曲線：注釋在小迎角時(shí)曲線斜率是常數(shù)，通過(guò)圖表發(fā)現(xiàn)機(jī)身在水平時(shí)也有升力。

根據(jù)滑翔比與升阻比可知滑翔比越大，其飛行距離也就越遠(yuǎn)（距離大加速度大產(chǎn)生離地速度也就越大）而阻力又和速度有關(guān)成曲線關(guān)系，假如同樣兩臺(tái)無(wú)人機(jī)，一臺(tái)使用鋼架一臺(tái)使用碳釬維，這個(gè)在SU-27和殲11-B上就能體現(xiàn)出來(lái)，殲11-B應(yīng)該擁有更大的滑翔比。螺旋槳拉力計(jì)算公式（靜態(tài)拉力公式）現(xiàn)在飛行器已經(jīng)確定了，拉力也計(jì)算好了，那么螺旋槳需要多大規(guī)格的合適時(shí)我們接下來(lái)需要研究的步驟，根據(jù)公式：直徑×螺距×漿寬度×轉(zhuǎn)速的平方×大氣壓力×經(jīng)驗(yàn)系數(shù)=拉力×螺距×漿寬度×轉(zhuǎn)速×大氣壓力×經(jīng)驗(yàn)系數(shù)=拉力，那么我們對(duì)于特殊氣壓地區(qū)要額外考慮比如西藏，壓力在0.6-0.7，1000米以下基本可以取1。

我們拿4768的螺旋槳，轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/分，和25轉(zhuǎn)/秒，計(jì)算可得4.7×2.54=12cm12×6.8×10×252×1×0.00025=127.5公斤，如果轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值則拉力等于12×6.8×10×252×1×0.00025=127.5KN所以根據(jù)公式可以看出如果采用剛才材料，將會(huì)增加機(jī)本身承受的力無(wú)法達(dá)到更好的預(yù)期效果，所以綜上所述，應(yīng)該使用碳釬維的更好。

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指導(dǎo)老師：

姓名：楊翠麗，年齡：49，籍貫：山東泰安，單位：齊齊哈爾工程學(xué)院，民族：漢，學(xué)歷：本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。