碳釬維材料在無人機中的應用

陳思行

摘? 要：隨著科技的進步，人們生活水平的提高，對于高科技產品的需要求量也變的越來越大，但是通過對合理材料的使用來降低產品的安全系數與價格成本就顯現的很重要，本次論文主要是圍繞著碳釬維螺旋槳在無人機的應用以及對于材料方面的使用要求和實惠的經濟進行論述。

關鍵詞：無人機;螺旋槳;碳釬維材料

科技在進步，人們生活水平變的越來越優越，取之而來的是高科技在生活中的應用鋪及，今天我們拿無人機為例，無人機逐漸得到普及，無論是在表演、航拍、偵測、警用、探測、物流、救災中我們經常能看見他們的身影，如果在惡劣環境中，無人機的性能要求也會很高，就拿我們今天所說的機翼為例，一般材料為合金、復合材料或者高性能的工程塑料，聚塞龍的PP11120HF就是用于無人機機翼材質之一，但是如果沒有螺旋槳，無人機無異于是一堆廢鐵，但是無人機螺旋槳的材料的優越關乎其飛行的穩定性以及安全性能。材料劣質的螺旋槳會因為其材料的原因飛成碎片，而整個無人機也會因為這個劣質的螺旋槳破裂而損壞。往往螺旋槳是最先摔壞的零部件。

在選用無人機螺旋槳時其材料也分很多種，有木制、塑料、玻纖、碳釬維，其中木制材料優點是重量輕、易加工、成本低，其缺點是制作工藝繁所，成品精度低，木槳在飛行過程中的震動程度比較適中。塑料螺旋槳優點是易于加工，成本低，模具加工精度高，重量輕，缺點是強度低，易斷漿。碳纖維螺旋槳，玻纖特點是機械強度和彈性系數高，價格便宜，但是其性脆和耐磨性差。碳纖優點是重量輕，抗張強度高，耐磨擦，其缺點是材性屬于性脆弱材料，無法修復，加工困難，制作成本高。碳釬維的震動要比其他材料的震動要高，因為它本身的材質強度高。

因此無人機螺旋槳對材料要求強度、高韌性、高流動，一般采用合金、復合材料或者高性能的工程塑料，聚賽龍的PP1120HF就用于無人機機翼材質之一。

我們以直徑為4.7英寸，螺距為6.8，弦長為1.5的塑料二葉槳為例進行分析，采用塑料材料主要是因為其易于加工的優點，根據伯努力原理，涵道內測由于有螺旋槳的高速旋轉，帶動氣流快速下降，涵道外側氣流流動緩慢，所以涵道外側氣壓會大于外側氣壓，于是空氣會產生一部分向上的拉力。也就會提高飛機的動力。但是從機架設計上講，我們如果增加了四個涵道，也就是增加飛機自身的質量，飛機需要克服飛機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的十分重要。

從動量角度分析，螺旋槳的材料性能，螺旋漿的旋轉平面稱為匠盤面，螺旋槳對流過漿盤面的空氣做功，空氣流經漿盤面后動量增加，加速的空氣會對螺旋槳產生反作用，這個反作用就是螺旋槳的推力，產生一個V+▲V的速度。

從空氣動力學角度分析

螺旋槳可視為一個旋轉的機翼，氣動原理與機翼相同。螺旋槳垂直于漿經方向的刨面是一個機翼形，稱為螺旋槳葉素，每一個葉素都會產生一個氣動力，所有葉素的合力即為螺旋槳的產生氣動力，該氣動力沿飛行方向分力即為螺旋槳的推力，沿旋轉方向的分力對旋轉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圓的直徑。一般而言，螺旋槳的直徑需要通過發動機功率、轉速、無人機飛行速度、槳葉數目、以及螺距綜合確定，螺旋槳直徑的單位一般是英尺。

槳葉數目

槳葉數目也是螺旋槳的一個重要參數，2葉槳、3葉槳和6葉槳是最常見的螺旋槳。無人機的螺旋槳一般是2葉槳和3葉槳，例如大鵬系列無人機采用的都是2葉槳，我國的彩虹系列無人機采用的是3葉槳。螺旋槳的槳葉數目越多，螺旋槳的可吸收的最大功率越大，但是螺旋槳的效率越低，另外隨著槳葉數目的增加，螺旋槳的重量也會隨之增加。所以槳葉數目的選擇需要結合發動機的功率，在保證具備可以吸收發動機最大功率和螺旋槳直徑約束的前提下，盡可能減少槳葉數目，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為葉素。這和飛機的機翼類似，可以認為螺旋槳是一個帶有大扭轉角的機翼。葉素的氣動性能直接影響螺旋槳的性能，相同型號的螺旋槳選用的翼型不同，其性能也不同，一般需要通過做大量的計算和測試來確定螺旋槳的性能。

槳葉寬度

葉素弦線長度稱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域的效率低，因此為了提高螺旋槳的整體效率，中部區域的弦長一般大于槳尖和槳根的弦長。一般采用弦長與螺旋槳半徑的比值來表示寬度分布。

螺距

螺旋槳的螺距是指螺旋槳在一個固定介質中旋轉一周前進的距離。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平面的夾角。相同轉速（V）下，螺旋槳不同半徑位置的線速度（ωr）不同，導致氣流的方向角（θ）不同，為了使每個葉素都能在有利迎角（α）下工作，所以槳葉角不是一個固定值，典型的槳葉角分布如圖所示。為了滿足不同速度的飛行，可以將螺旋槳設計成可變槳距的螺旋槳。在變距機構的控制下，根據飛機的飛行速度的變化，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，稱為該處槳葉的厚度。為了在保證螺旋槳的強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遞減的。一般用相對厚度（C/b）來表示螺旋槳的厚度分布。

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

對于高質量的無人機可以幫助我們完成很多工作，除了技術的提升以外，對于無人機材質上也有需要的優化，使用更高性能的材質，就可以更好的提高無人機的材質，碳釬維無人機螺旋槳首先其質量輕，這也讓其飛行的能耗比較低，整個續航也就很高。

我們來假設以下，升力為L=1/2（空氣密度×速度平分×機翼面積×機翼升力系數），畫出機翼的升力曲線：注釋在小迎角時曲線斜率是常數，通過圖表發現機身在水平時也有升力。

根據滑翔比與升阻比可知滑翔比越大，其飛行距離也就越遠（距離大加速度大產生離地速度也就越大）而阻力又和速度有關成曲線關系，假如同樣兩臺無人機，一臺使用鋼架一臺使用碳釬維，這個在SU-27和殲11-B上就能體現出來，殲11-B應該擁有更大的滑翔比。螺旋槳拉力計算公式（靜態拉力公式）現在飛行器已經確定了，拉力也計算好了，那么螺旋槳需要多大規格的合適時我們接下來需要研究的步驟，根據公式：直徑×螺距×漿寬度×轉速的平方×大氣壓力×經驗系數=拉力×螺距×漿寬度×轉速×大氣壓力×經驗系數=拉力，那么我們對于特殊氣壓地區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，轉速是1500轉/分，和25轉/秒，計算可得4.7×2.54=12cm12×6.8×10×252×1×0.00025=127.5公斤，如果轉速達到最大值則拉力等于12×6.8×10×252×1×0.00025=127.5KN所以根據公式可以看出如果采用剛才材料，將會增加機本身承受的力無法達到更好的預期效果，所以綜上所述，應該使用碳釬維的更好。

參考文獻：

[1]張元，李建利，張新元，徐敏.碳纖維織物的特點及應用[J].棉紡織技術，2014，42（05）：74-77.

[2]張鐵亮.衛星夾層結構分析與結構設計研究[D].南京航空航天大學，2012.

指導老師：

姓名：楊翠麗，年齡：49，籍貫：山東泰安，單位：齊齊哈爾工程學院，民族：漢，學歷：本科，研究方向：機械設計制造。