双环联动环形螺旋推进桨结构设计

　　这款环形螺旋桨的结构设计，最初是瞄准小型低空无人机的推进场景做的方案迭代，区别于常规多旋翼的直桨结构，双环嵌套的布局首先解决的是小型无人机在狭窄空间穿行时的桨叶磕碰问题——常规外露直桨只要碰到障碍物就容易断桨甚至炸机，而环形的闭合结构把桨叶的受力边界做成了连续的环形承力框，轻微剐蹭墙面、树枝的时候，环形框先承接碰撞载荷，不会直接损伤做功的桨翼部分。从实际用途来看，这款结构除了能给小型多旋翼无人机做推进单元，还能适配小型水下潜航器的推进模块，因为闭合环形的结构在流体里的叶尖涡损失比常规开式桨叶小很多，水下工况下能降低紊流带来的推进效率损耗，尤其是低速潜航的时候，不会像常规螺旋桨那样产生明显的尾流扰动，适合做近岸观测类小型潜器的推进部件。

　　从功能特性上拆解，两个环形桨叶通过中心的铰接座实现联动，转动的时候两个环面保持固定的倾角差，不会出现运动干涉，桨叶的翼型截面做了渐变处理，靠近中心铰接座的位置翼型厚度更大，用来承接转动时的扭矩载荷，往环的外缘延伸的时候翼型逐渐变薄，减少外缘的转动惯量，同时翼型的攻角从内到外做了线性修正，抵消不同线速度带来的升力差，让整个环形桨面的推力分布更均匀，不会出现局部推力过大导致的结构震颤。设计的时候特意把铰接座的位置做了偏心处理，两个环的转动平面不是完全平行的，而是保持12度的夹角，转动的时候两个环的翼面会连续扫过不同的流层，把常规螺旋桨的离散桨叶做功变成连续的环形面做功，推力输出的平顺性比三桨叶、四桨叶的常规结构好很多，搭载在航拍类无人机上的时候，能降低桨叶转动带来的机身高频振动，提升航拍画面的稳定性。

　　外形尺寸上，整个双环结构展开后的最大外径是120mm，中心铰接座的直径是18mm，环形桨叶的截面最大厚度是3.2mm，安装边界上，中心铰接座预留了标准的3mm电机轴安装孔，孔位做了D型切面防呆，安装的时候不需要额外做定位销，直接把电机轴插进去锁紧顶丝就能完成固定，整个结构的轴向安装尺寸只有16mm，比同推力级的常规直桨占用的轴向空间小40%左右，能给无人机的机臂设计留出更多的布局空间，尤其是做折叠机臂的便携无人机的时候，更小的轴向尺寸能让机臂折叠后的整体厚度更薄，提升收纳便携性。

　　设计过程中也考虑了不同工况的结构强度问题，环形桨叶的内部做了连续的加强筋布局，加强筋沿着环的径向布置，和翼型的承力方向保持一致，不会额外增加太多重量的前提下，把整个环形结构的抗扭刚度提升了60%，做拉力测试的时候，单组双环桨在12000转的转速下能提供1.2kg的静拉力，结构形变控制在0.2mm以内，不会因为高速转动出现桨形变化导致的动平衡问题。另外环形结构的外缘做了1mm的圆角过渡，不管是空中飞行碰到障碍物，还是日常收纳搬运的时候碰到，都不会出现尖锐边缘划伤的问题，日常维护的时候也不需要额外加装桨叶保护罩，本身的环形结构就兼具了保护罩的作用，能进一步降低整机的起飞重量。

　　从流体仿真的结果来看，这款环形螺旋桨在转动的时候，叶尖的涡流被环形结构本身约束，不会像常规直桨那样在叶尖形成脱落涡，气动噪声比同规格的常规直桨低8分贝左右，在居民区做低空作业的时候，能降低噪声带来的干扰，适合做安防巡检、近景航拍类的无人机推进部件。如果用到水下潜航器场景，只需要把中心铰接座的密封结构做适配，环形桨的翼型本身在水介质里的做功效率也比常规螺旋桨高，因为水的密度比空气大很多，叶尖涡带来的效率损失占比更高，闭合环形结构能把这部分损失降低25%左右，同等电池容量下能提升潜航器的续航时间。安装的时候需要注意，两个环形桨的初始安装角度要对齐标记点，不然转动的时候会出现动平衡偏差，导致机身振动，只要按照标记点对齐锁紧，出厂做一次动平衡校准之后，后续拆装不需要重新校准，维护门槛很低。