无人机螺旋桨桨距测量仪的设计与使用

王刚，姚军，王新华，邢海军

中国人民解放军95894部队，北京市 102211

阐述了螺旋桨桨距测量仪的设计背景、设计理念，分析了产品的可行性、可靠性，研究了产品的使用材料和加工工艺，进一步介绍了产品的使用方法及应用效果，提出了下一步改进意见和研发方向，对于满足工作需要、提高工作效率、保证飞行安全有极为重要的作用。

无人机所用的螺旋桨是靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力的一种装置。所谓桨距角（Pitch Angle）也称节距角，顾名思义，就是桨叶距离上的夹角，即桨叶长度的75%处所对应的桨叶弦长与旋转平面之间的夹角，如图1中的β角所示。螺旋桨桨距角的大小直接影响着发动机转速及飞行器推进力的大小。尤其对于可变距螺旋桨，在试验阶段要多次测量螺旋桨桨距角的大小，用于研究发动机转速的变化及相应的工作性能，所以，研发一套快速、准确测量螺旋桨桨距角的仪器对于满足工作需要、提高工作效率极为重要。

图1 螺旋桨桨矩角示意图

图2 万能角度尺

螺旋桨桨距测量仪的设计

设计螺旋桨桨距测量仪的技术背景

现代螺旋桨飞行器大多采用桨叶角可调节的变距螺旋桨，这种螺旋桨可根据飞行的实际需要来调整桨叶角，以提高螺旋桨的工作效率、保证飞行安全。由于螺旋桨在旋转过程中，桨根和桨尖的圆周速度不同，所以，为了保持桨叶各部分都处于最佳空气动力状态，通常把桨根的桨叶角设计成最大，沿桨叶径向依次递减，桨尖的桨叶角最小。一般来讲，在螺旋桨未装机前测量螺旋桨的桨距角是比较容易进行的，通常以水平面为基准参考面，然后利用万能角度尺（如图2所示）即可测定。但是，当螺旋桨安装到发动机上以后，基准参考面很不容易确定，所以要直接测量螺旋桨的桨距角就比较困难。以往测量螺旋桨桨距角采用的方法通常是：一个人先用两只手将基准参考面推按在螺旋桨桨平面上，使之与螺旋桨旋转平面平行，然后另外一个人再利用万能角度尺测量。这种测量方法的缺点是显而易见的：一方面，基准参考面没法固定安装，工作人员用手抓持、推按都容易使其产生晃动或者倾斜，经常造成测量误差较大、测量数值不够准确、损伤变距电机等等影响试验过程和试验结果的问题；另一方面，完成这项工作需要两个人同时配合协作，耗费较多的人力和时间，工作效率较低。工作的需要就是科技创新的动力，所以，新的螺旋桨桨距测量仪就是在这种背景下研发设计的。

新螺旋桨桨距测量仪的设计理念

图3 螺旋桨桨距测量仪的安装

以前传统螺旋桨桨距测量方法存在的不足，实际上也是研究开发新的桨距测量仪所要解决的主要矛盾。所以，设计新螺旋桨桨距测量仪所要秉持的理念即：一是要建立一个标准的基准参考面，而且要操作简单、安装方便；二是要节省人力，方便易行；三是要节省材料、减轻重量、节约成本。所以，针对第一和第二个设计理念，设计时选择螺旋桨变桨距电机为安装基准点，将基准参考面板件的一端用合页式卡箍悬挂在变桨距电机外侧，再用螺栓配合元宝螺母锁紧，以达到快速稳妥固定的目的，其原因在于变桨距电机轴向与螺旋桨旋转平面相互垂直，基准参考面板件固定好后，能够保证基准参考面与螺旋桨旋转平面平行。合页式卡箍与变桨距电机接触面之间要加垫比较薄的胶皮，目的在于不损伤电机且保证两者之间能够稳定接触（如图2所示）。基准参考面板件的设计尺寸为：宽80mm，长695mm，厚13mm，其末端正对桨叶长度的75%处，如图3所示。在基准参考面板件末端正面有一直角开槽，其作用是使用万能角度尺时可以将其测量尺部分与直角开槽贴合卡紧，以便于测量时不会发生侧滑。针对第三个设计理念，基准参考面板件使用的材质设计为铝合金。由于铝制品表面的自然氧化铝既软又薄，耐腐蚀性较差，不能成为有效防护层，所以本产品对其表面进行了黑色阳极化处理，以提高其抗蚀性和硬度。另外，为了节省材料、减轻重量、节约成本，基准参考面板件测量端中间过渡段加工为空心，而且固定端与测量端分开加工，使用螺接方式进行连接，重量大约为0.7kg。详细的结构设计见图4、图5、图6。

螺旋桨桨距测量仪的使用

使用方法

螺旋桨桨距测量仪的使用方法简单易行。首先，将基准参考面用合页式卡箍和一个销钉固定在螺旋桨变距电机上，调整基准参考面与螺旋桨旋转平面平行且二者同时与地面垂直，再用万能角度尺测量尺端卡在基准面底端，旋转万能角度尺的调整螺钉使万能角度尺另一边与桨叶页面贴合，然后拧紧锁紧螺钉，读取万能角度尺上的角度值即为所要测量的桨距角（如图7所示）。如果要测量另外一个桨叶的桨距角时，则先要松开元宝螺母，按螺旋桨旋转方向转动螺旋桨，至基准参考面和桨叶都与地面垂直时再拧紧元宝螺母，然后按上述测量方法依次进行，所有工作一个人即可完成。通过试验发现，这种螺旋桨桨距测量仪不仅可以满足工作需要，快速、准确测量螺旋桨桨距角，而且携带方便、节省人力，明显提高了工作效率。

图4 螺旋桨桨距测量仪配件1

图5 螺旋桨桨距测量仪配件2

图6 螺旋桨桨距测量仪配件3

使用注意事项

（1）合页式卡箍与变距电机之间的固定要稳固，不能左右或前后摇晃，防止影响测量精度甚至损坏变距电机；

（2）螺旋桨桨距测量仪的基准参考面要与被测桨叶平行且二者同时与地面垂直；

（3）万能角度尺测量尺与基准参考面及测量面的贴合要紧密；

（4）在换测另一个桨叶的桨距角时，一定要先松开元宝螺母，然后才能转动螺旋桨；

图7 万能角度尺与桨距测量仪的配合使用

（5）螺旋桨桨距测量仪的存放要稳妥，防止损伤变形。

应用效果

目前，这种螺旋桨桨距测量仪已经研制成功，形成产品。在实际工作中，该产品有效地解决了飞行器可变距螺旋桨桨距角测量难的问题，明显提高了工作效率，受到广大用户的普遍青睐。因其操作简单方便、使用效果良好，所以现在已经被定型为某型飞机的随机设备。

螺旋桨桨距测量仪的优缺点及改进意见

优缺点

相对传统测量仪器而言，该螺旋桨桨距测量仪的优点在于携带方便、操作简单、测量准确、成本低廉、稳定可靠、不易损坏、制造维修方便等等。但是，从研究者的角度来看，该产品略显不足之处在于：这种螺旋桨桨距测量仪属于全机械装置，基准参考面的安装、调整以及桨距角测量值的读取等，完全要通过人工来完成，与利用光电扫描、电子计数等先进技术的测量仪器相比，这种螺旋桨桨距测量仪延长了测量时间，增加了测量误差，降低了测量精确度。

改进意见

随着科学技术的迅猛发展，光电遥感等新技术和特种塑料等新材料在科研生产领域内的应用已经相当广泛。考虑到螺旋桨桨距测量仪的实际工作情况，建议在进一步的研究设计中从以下几个方面加以改进：一是将其角度测量部分加以改良，使其能够利用光电扫描、电子计数等先进技术科学快速的测量桨距角，进一步提高桨距测量仪的便捷性和准确性；二是在基准参考面的安装固定部分，可以考虑使用磁性材料，省去反复拧紧螺母的麻烦；三是基准参考面使用的铝合金材料可以考虑换为某种特殊塑料，既可以降低成本，又可以方便加工。当然，最终的改进方案需要在这几个方面之间达成平衡，使新的产品使用更方便、效率更高、成本更低。■