在無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，雙電機(jī)與共軸推進(jìn)系統(tǒng)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，成為眾多無人機(jī)設(shè)計(jì)的熱門選擇。這類系統(tǒng)將兩個(gè)旋翼置于同一旋轉(zhuǎn)軸線，使其以相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，不過在設(shè)計(jì)過程中，需綜合考慮相對螺旋槳尺寸、轉(zhuǎn)速以及旋翼間距等多個(gè)變量，才能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在拉力、扭矩和效率方面的最優(yōu)性能。

近期，一項(xiàng)針對雙電機(jī)和同軸旋翼配置的研究圓滿完成。該研究聚焦于旋翼轉(zhuǎn)速、旋翼間距、螺旋槳尺寸以及相對旋翼轉(zhuǎn)速等因素對無人機(jī)性能的影響。研究團(tuán)隊(duì)期望通過深入探究這些變量之間的關(guān)系，為無人機(jī)設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的參考，助力他們打造出更高效、性能更優(yōu)的無人機(jī)。

此次研究的核心在于共軸測試期間旋翼間的物理相互作用，尤其關(guān)注前旋翼對后旋翼的影響，并詳細(xì)量化了旋翼間距、轉(zhuǎn)速和螺旋槳直徑等因素產(chǎn)生的作用。在測試過程中，研究團(tuán)隊(duì)選用了兩臺 Flight Stand 50 動力測試臺。這款設(shè)備功能強(qiáng)大，能夠測量高達(dá) 50kgf 的拉力和 30Nm 的扭矩，同時(shí)還可測量轉(zhuǎn)速、電壓、電流、機(jī)械功率、電功率、螺旋槳效率、電機(jī)效率和整體系統(tǒng)效率等多項(xiàng)參數(shù)。其配套的 Flight Stand 軟件可實(shí)現(xiàn)對拉力測試臺的控制，支持同時(shí)測試多達(dá) 8 個(gè)動力系統(tǒng)，并且允許研究人員遠(yuǎn)程操作測試臺，確保與旋轉(zhuǎn)的螺旋槳保持安全距離。

在共軸測試時(shí)，兩臺 Flight Stand 背靠背放置在軌道上，每個(gè)測試臺的力測量單元上都安裝了一個(gè)無刷電機(jī)和螺旋槳。兩個(gè)螺旋槳設(shè)置為反向旋轉(zhuǎn)，這樣兩個(gè)電機(jī)的扭矩能夠相互補(bǔ)償，使結(jié)構(gòu)保持平衡。在無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，這種共軸設(shè)置有助于避免飛行過程中因扭矩引起的垂直軸向旋轉(zhuǎn)。后螺旋槳采用倒置安裝方式，以確保其產(chǎn)生的氣流方向與前螺旋槳一致。在改變旋翼間距的測試中，距離通過測量兩個(gè)力測量單元之間的間距來確定。

研究首先聚焦于轉(zhuǎn)速和旋翼間距對后方旋翼 2 產(chǎn)生的推力和扭矩的影響。由于旋翼 2 直接處于旋翼 1 產(chǎn)生的氣流中，其性能必然會受到旋翼 1 的影響。在第一組測試中，旋翼 1 分別以 1600 轉(zhuǎn)/分和 2200 轉(zhuǎn)/分兩種不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行，同時(shí)還在 10、30、50 和 70 毫米四種不同間距下重復(fù)進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，旋翼 1 轉(zhuǎn)速為 2200 轉(zhuǎn)/分時(shí)，在所有間距和旋翼 2 轉(zhuǎn)速條件下，旋翼 2 的拉力均低于旋翼 1 轉(zhuǎn)速為 1600 轉(zhuǎn)/分時(shí)的情況。扭矩的變化趨勢與拉力類似，旋翼 1 轉(zhuǎn)速為 2200 轉(zhuǎn)/分時(shí)，旋翼 2 的扭矩也相對較低。值得注意的是，旋翼間距對旋翼 2 產(chǎn)生的拉力影響并不顯著。由此可以得出，前旋翼轉(zhuǎn)速的增加會降低后旋翼產(chǎn)生的拉力和扭矩。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)探究了改變后螺旋槳尺寸（直徑）對其拉力和扭矩的影響。此次測試選用了兩種不同尺寸的后螺旋槳，分別為 40 英寸（與前螺旋槳尺寸相同）和 47 英寸。在實(shí)際應(yīng)用中，無人機(jī)制造商常采用共軸設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)能夠提供高拉力密度，使飛行器在保持緊湊體型的同時(shí)，能夠承載更重的負(fù)載。不過，這種設(shè)計(jì)在大型垂直起降或電動垂直起降飛行器中并不常見，主要原因是其效率相對較低。對于需要長距離飛行的大型飛行器而言，這種效率損失是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，因此共軸設(shè)計(jì)更多應(yīng)用于小型無人機(jī)，以滿足其對緊湊尺寸和最大拉力的需求。在本次測試中，旋翼 2 轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，而力測量單元之間的間距保持恒定為 20 毫米。測試結(jié)果表明，在旋翼 1 和旋翼 2 的所有轉(zhuǎn)速下，47 英寸螺旋槳產(chǎn)生的拉力均大于 40 英寸螺旋槳。同時(shí)，隨著旋翼 1 轉(zhuǎn)速從 1600 轉(zhuǎn)/分增加到 2200 轉(zhuǎn)/分，旋翼 2 的拉力均出現(xiàn)下降，扭矩也有類似的變化趨勢。而且，對于 47 英寸后螺旋槳，拉力下降的幅度更為明顯，這體現(xiàn)在 1600 轉(zhuǎn)/分和 2200 轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下拉力數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的差距更大。

針對這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩個(gè)假設(shè)。假設(shè)一認(rèn)為，前螺旋槳產(chǎn)生的氣流會對后螺旋槳施加一個(gè)與旋翼 1 拉力方向相反的阻力負(fù)載，該負(fù)載會從記錄的原始拉力值中扣除。假設(shè)二指出，旋翼 1 產(chǎn)生的湍流會誘導(dǎo)阻力，從而抵消旋翼 2 產(chǎn)生的拉力和扭矩。當(dāng)給旋翼 1 加油門使其旋轉(zhuǎn)，而旋翼 2 未加油門時(shí)，會出現(xiàn)風(fēng)車效應(yīng)，這表明存在這種阻力。旋翼 1 旋轉(zhuǎn)速度越快，產(chǎn)生的阻力就越大，觀察到的拉力損失也就越顯著。當(dāng)前旋翼加油門旋轉(zhuǎn)時(shí)，后螺旋槳會在沒有油門輸入的情況下轉(zhuǎn)動，此時(shí)扭矩為負(fù)值，因?yàn)闇y量到的是電機(jī)中的阻力扭矩，它試圖制動螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，這是由旋翼 1 氣流產(chǎn)生的阻力誘導(dǎo)的。這種反應(yīng)在沒有電力輸入時(shí)也能看到，旋翼 2 會自轉(zhuǎn)，變成一種風(fēng)力渦輪機(jī)。

螺旋槳效率是衡量旋翼性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了相對于輸入功率所產(chǎn)生的拉力大小。其計(jì)算公式為產(chǎn)生的拉力除以螺旋槳的機(jī)械功率（螺旋槳轉(zhuǎn)速乘以扭矩）。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了螺旋槳效率隨轉(zhuǎn)速和旋翼間距的變化情況。在測試中，旋翼 2 的轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為 1200、1400、1600、1800、2000 和 2200 轉(zhuǎn)/分，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制曲線。測試結(jié)果顯示，曲線分為兩組，由旋翼 1 的轉(zhuǎn)速區(qū)分。在所有旋翼 2 轉(zhuǎn)速和間距下，當(dāng)旋翼 1 轉(zhuǎn)速更高（2200 轉(zhuǎn)/分）時(shí)，旋翼 2 具有更高的螺旋槳效率。對于旋翼 1 以 2200 轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)的曲線，在旋翼 2 的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，螺旋槳效率持續(xù)下降。當(dāng)旋翼 1 轉(zhuǎn)速為 1600 轉(zhuǎn)/分時(shí)，旋翼 2 效率在轉(zhuǎn)速達(dá)到約 1450 轉(zhuǎn)/分時(shí)先上升并達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，與另一組較高旋翼 1 轉(zhuǎn)速的曲線平行。在高速下，旋翼間距對旋翼 2 螺旋槳效率的影響較小。在旋翼 1 和旋翼 2 都處于低速時(shí)，較小的間距與組內(nèi)較高的效率相關(guān)聯(lián)，這種差異在旋翼 1 和旋翼 2 轉(zhuǎn)速都較低時(shí)更為明顯，當(dāng)旋翼 2 轉(zhuǎn)速在約 1750 轉(zhuǎn)/分及以下時(shí)，這種效應(yīng)開始顯現(xiàn)。