无人机用无轴环形螺旋推进桨结构设计

　　这款环形螺旋桨的设计初衷，是针对小型多旋翼无人机在近人作业场景下的安全痛点开发，常规外露式直桨在飞行过程中桨叶边缘线速度极高，一旦碰到障碍物或者操作人员肢体，很容易造成切割伤害，同时外露桨叶在碰撞硬质物体后极易断裂炸机，在室内巡检、物流末端配送、影视航拍近景拍摄这类需要贴近人员或复杂障碍物的场景里，传统螺旋桨的安全缺陷一直是限制无人机作业半径的核心因素。从结构特性来看，这款环形螺旋桨将桨叶的翼型做了闭环式的环形整合，没有传统螺旋桨的外露桨尖，整个桨的做功外轮廓是连续的环形曲面，桨尖涡被约束在环形结构内部，相比同尺寸的常规直桨，气动效率损失能降低15%左右，同时因为没有突出的桨尖，在碰到墙面、树枝这类障碍物时，环形的外轮廓会先发生接触滑动，不会像直桨那样瞬间被卡滞或者打断，抗碰撞冗余度有明显提升。

　　设计过程中首先要平衡的是气动效率与结构重量的矛盾，环形桨的闭合结构相比分体直桨多了外圈的连接环段，如果翼型厚度设计过大，会直接增加桨的转动惯量，提升电机的负载功耗，缩短续航时间；如果翼型厚度过薄，高速旋转时环形结构的刚度不足，会出现颤振问题，不仅会带来额外的振动噪音，还会影响飞行姿态的稳定性。最终的翼型截面采用了渐变厚度设计，靠近桨毂连接的位置翼型厚度更大，用来传递电机输出的扭矩，往环形外圈延伸的过程中翼型厚度逐步收窄，在保证结构刚度的前提下尽可能降低转动惯量，匹配常规22系列、23系列无人机无刷电机的输出扭矩范围，不需要额外更换大拉力电机就能直接适配。

　　安装边界上，这款环形桨的中心安装孔位采用了通用的快拆式桨座接口，和市面上主流的5寸、6寸穿越机、小型航拍无人机的桨座尺寸完全兼容，不需要对无人机的电机安装座做任何改装就能直接替换使用，整体环形外径控制在150mm到220mm区间，对应不同起飞重量的无人机平台，安装后不会和无人机的机臂、脚架产生运动干涉，转动时的安全外轮廓比同拉力级别的常规直桨小20%左右，能让无人机在更狭窄的空间内穿行。实际使用场景中，除了安全防护的优势，这款环形螺旋桨的气动噪音也比常规直桨更低，因为桨尖涡被环形结构约束，翼尖涡流产生的高频噪音被大幅削弱，在需要静音作业的场景，比如室内场馆拍摄、居民区周边巡检，能降低作业时的噪音干扰，避免引起不必要的注意。

　　结构设计上还考虑了铸造生产的工艺可行性，整个桨的曲面过渡没有尖锐的内角，拔模斜度控制在1.5度到3度之间，不管是采用注塑工艺还是金属铸造工艺生产，都能顺利脱模，不需要额外做复杂的侧抽芯结构，能有效降低批量生产的工艺成本，桨毂位置的安装孔做了镶件预埋的设计空间，生产时可以预埋金属衬套，避免塑料桨座反复拆装后出现滑牙问题，提升桨叶的重复安装精度。在动平衡调校层面，环形结构的对称性比双叶直桨更好，生产过程中只需要在环形外圈的指定位置做少量的去重处理，就能达到G2.5级的动平衡精度，高速旋转时的振动量比同规格直桨更低，能减少飞控系统的姿态修正负担，提升飞行时的画面稳定性，对于搭载云台相机的航拍无人机来说，更低的振动量也能减少云台的果冻效应，提升拍摄画质。很多人会担心环形桨的推力不足，实际上在相同的转速下，这款环形螺旋桨的静拉力能达到同尺寸双叶直桨的90%以上，而因为桨叶是连续的环形曲面，拉力输出的线性度更好，在无人机做急停、转向这类机动动作时，拉力波动更小，飞控的姿态控制精度更高，在需要精准悬停的作业场景里，悬停精度能提升30%左右。另外，环形的封闭结构也避免了传统螺旋桨容易缠绕电线、细线这类杂物的问题，在电力线路巡检、农田植保这类有大量线状障碍物的场景里，不会出现桨叶被杂物缠绕导致炸机的问题，作业可靠性有明显提升。