无桨叶无人机的开发研究

□王 旺 米慧欣 邱 蓉 唐耀辉 郭树冠

无人机航模运动以其技巧性和可操作性的特点受到青少年喜爱，但部分青少年安全意识不足，不注重个人防护，在飞行过程中极易发生危险，导致部分家长对青少年无人机运动产生极大的不信任感，也因此阻碍了一部分潜在爱好者的参与。低空无人机的主要风险在于桨叶外露，叶片转动时产生的力量破坏力巨大，存在较大的安全隐患，现有无人机的主要安全措施是安装桨叶保护罩、增加视觉避障、安装场地防护网等。如果能设计制作出一款无叶无人机，以上问题就可以得到更好解决。

一、无桨叶无人机设计需求

目前多旋翼无人机以其结构简单、成本较低被广泛用于多个领域，然而随着无人机的广泛运用，越来越复杂的使用环境带来了更为严峻的安全考验，需要对其安全设计加以更新。在目前常见的安全保护如加装桨叶保护罩，其制作简单，更换方便得以更为广泛地使用，但是由于保护罩需要考虑重量、透风量以及成本，使得保护罩的保护效果被极大限制，在高速高质量的无人机运用中往往易产生形变，防护效果也不尽人意。除了对无人机本体机械结构的保护设计外，部分无人机也加入了多种智能化设备，如视觉避障、光流避障等，这些电子设备的加入极大保障了无人机的使用安全，但是由于其成本较高，水面、雾天等特殊环境中使用效果不理想也限制了其广泛普及。由于无人机实际运用中空旷、明朗、无干扰的理想飞行作业环境往往少见或不可求，因此无人机的保护措施应当去适应多种环境。无人机高速旋转的桨叶是无人机造成危险事件的重要因素之一，因此，开展无人机无桨叶化的设计研究，是提升无人机安全保护效果的首选。

二、无桨叶无人机设计分析

(一)新型无桨叶无人机整体结构。选择对传统的旋翼无人机进行重组优化来完成新型无桨叶无人机的设计，新型无桨叶无人机包括飞行控制系统、遥控遥测系统、机身结构系统、动力系统四个主要部分。

1.动力系统。动力系统是新型设计的主要部分，去除了传统外露桨叶，采用动力输出圈提供反向的推力达到为无人机提供动力的目的。新型的动力系统包括动力输出圈、内置电机、涡轮风扇、电调。

2.飞行控制系统。飞行控制系统是飞机大脑，是无人机进行遥控信号处理、飞行指令执行、姿态调整和飞行数据监控等的重要部分。主要包括微控制器、气压计、陀螺仪、加速剂、磁强计和其他功能开发板。

3.遥控遥测系统。遥控遥测系统是飞机的人机沟通渠道，该系统能将操作人员的操作指令以特定的方式传入飞行控制系统以实现对飞行器的控制，同时反馈飞行器的飞行信息以帮助操控人员更好地掌握无人机的飞行状态。包括遥控器、与遥控器适配的接收机以及部分作业需求的图传和相应的接收装置。

4.机身结构系统。机身结构系统是飞机的骨骼支架，为飞机提供仪器承载和保护，机身结构的设计关系到飞机性能的好坏和使用者的用户体验。包括机身、机架、机身护板以及相应的保护罩等。

(二)无桨叶动力系统设计。

1.无桨叶动力系统原理。无桨叶无人机的动力系统是基于空气倍增机的开发和应用，由出风圈和送风系统组成。送风系统中微型风机工作将外界空气吸入送风口，经由风机升压后的空气，从一个1mm左右宽的环形出风口吹出，出风圈水平安置，出风口位于出风圈顶部。空气被强制从这一环形细缝里吹出来，紧靠着出风口的地方有一个科恩达表面，依据伯努利原理，气流吹出后由于流速的减缓会吸附于其便面流动，会在该处形成科恩达效应，气流贴附出风圈内环外表面流动，很大程度降低了过流区域尺寸改变而引起回流造成的能量损失，同时急速流动的气流贴附出风圈内环表面会因为雾沫夹带原理带动周围空气随之流动，出风圈上方气流不断朝着喷出气流方向流动，从而在其上方产生负压，整个动力输出圈上方的气流也会不断吸入以维持压力平衡，最终喷出气流加上附随气流的共同作用，无人机动力输出气流较风机吸入气流增强15倍及以上。气流急速喷出为飞行器提供推动力，在控制飞行器整体重量和提高风机的功率条件下实现飞行器达到相应飞行姿态。

2.无桨叶动力系统设计。无桨叶动力系统包括出风圈、微型电机、涡轮风扇和电调。无桨叶系统的主要过流部件包括出风圈和内置风机。

(1)小间隙出风口设计。出风口的结构决定了动力系统的出风效果，其主要结构参数包括出风圈表面直径和出风口间隙，在进口流量固定的情况下出风口越小出风速度越大，无人机需要流速快压力大的流体为其提供动力，因此不建议采用低压大间隙的出风口设计，小间隙的设计固然能较好的压缩气体并高速释放，但这也需要内置风机提供较高的全压。在无人机应用上设计的出风圈截面图如图1所示，出于对无人机重量以及功率的把控，采用小间隙无叶出风口建议配备高转速轻量化电机，在整体框架材料上保证结构刚性的同时尽可能减轻无人机整体重量。出风圈的内外表面光滑程度也将影响流体流动的能量损耗，出风圈较窄一端为收缩端，从窄到宽的过渡面为扩散面，在研究中发现可采用对扩散面进行一定的曲率设计来制作内腔体，从而达到空气在腔体内流动阻力减少，降低能量损耗。

图1 小间隙出风截面图

(2)风机设计。风机可采用基座风机吸风、中置风机加压的组合设计，本研究拟采用透平机械来设计风机。旋转的叶轮与流体相互作用，将机械能转换变成流体能量从而提供无人机动力，混流压缩机是设计透平机械的一种，可以提高气体压力，并输送气体，本文设计方案为混流式压缩机，其扇叶尺寸也选择尽可能贴近入风口内壁的尺寸以增大过流部件密封性，扇叶平面朝向与旋转轴成某一夹角。基座风机位于入风口处，其目的在于吸入大量的空气并传递入送风管内，中置风机位于送风管内，其目的在于对流体进行加压以满足出风口高速气流的喷出。基座风机的转速低于中置风机，但其桨叶面积高于中置风机桨叶因此能吸入较大流量的气体。设计方法借鉴了已有无叶风扇的设计方法，如图2所示。

图2 无叶无人机整体设计图

(3)电子设备设计。电子设备包括电机和电调，电机为叶轮转动提供动力，电调对电机的转速进行调控。电机的搭配可采用现有航模设备所使用的主流电机，由于需要内置基座中，电机的尺寸和功率需要进行妥协，选择转子直径小于风壳的电机，而电调则选择对应功率的型号即可。实际使用中可能会由于桨叶选用尺寸的差异对电机进行不同选择:叶轮受风面积较大选择转速较低的电机，叶轮受风面积较小可选择转速较高的电机。电子设备除电机以外的设备均装置在过流部件外部避免影响风道流通。

三、无桨叶无人机的优势与应用

(一)设计优势。一是无叶设计采用硬质出风圈代替传统桨叶的办法，解决了桨叶旋转产生绞割的安全问题，也为无人机的安全配置提供了更多的可能性，如安全伞、安全气囊等措施，大大降低了无人机的事故率。二是在满足风量输入和输出的情况下，机身的设计具有更多可能性，出风圈的外形不局限于环形设计，也可根据需要适当改变，具备更高的拓展性，如可将圆环状的出风圈设计为椭圆状出风圈等。三是无叶化设计打破传统无人机依赖桨叶的设计，从根本上解决无人机桨叶存在的安全性问题，从而实现无人机能更加安全地普及至各个领域的目标。

(二)应用范围。

1.在航模教育中应用。无桨叶无人机是无人机航模运动全面普及的强大助力，无叶化设计在教学中可以更加有效地保障使用者的安全。在教学过程中，可以防止新手操作不稳定导致飞行器飞向人群而带来的伤害，并减少防护措施限制条件。

2.在创客教育中应用。无叶化的设计在满足基本流体通道提供动力的前提下为飞行器的外形提供了更多的拓展性设计，如对出风圈的异型设计可将圆环状的出风圈设计为椭圆状或者其他形状。

3.在较高安全性的复杂环境中应用。无叶化使得设计的无人机安全性极大提高，减少了飞行器碰撞和误操作带来的危害，如在障碍物相对密集的环境中飞行作业，即使发生轻微的碰撞也不至于影响飞行器的整体水平稳定。

四、结语

无叶无人机是一种新型的飞行器设计，除了满足飞行器的基本飞行需求之外，安全性和稳定性的提升也会推进无人机的发展与普及。无叶无人机的安全性将远远高于传统桨叶无人机，在保护使用者安全的同时也极大地保障了飞行器的本体安全。由于解决了桨叶缠绕问题，无桨叶结构给无人机的机体设计带了更多可能，如增设紧急降落伞、安全气囊等，在满足基本流体要求的同时无人机的出风圈也将有更多的异型设计。