無人機(jī)螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與使用

王剛，姚軍，王新華，邢海軍

中國人民解放軍95894部隊(duì)，北京市 102211

闡述了螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)理念，分析了產(chǎn)品的可行性、可靠性，研究了產(chǎn)品的使用材料和加工工藝，進(jìn)一步介紹了產(chǎn)品的使用方法及應(yīng)用效果，提出了下一步改進(jìn)意見和研發(fā)方向，對(duì)于滿足工作需要、提高工作效率、保證飛行安全有極為重要的作用。

無人機(jī)所用的螺旋槳是靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的一種裝置。所謂槳距角（Pitch Angle）也稱節(jié)距角，顧名思義，就是槳葉距離上的夾角，即槳葉長度的75%處所對(duì)應(yīng)的槳葉弦長與旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，如圖1中的β角所示。螺旋槳槳距角的大小直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及飛行器推進(jìn)力的大小。尤其對(duì)于可變距螺旋槳，在試驗(yàn)階段要多次測(cè)量螺旋槳槳距角的大小，用于研究發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化及相應(yīng)的工作性能，所以，研發(fā)一套快速、準(zhǔn)確測(cè)量螺旋槳槳距角的儀器對(duì)于滿足工作需要、提高工作效率極為重要。

圖1 螺旋槳槳矩角示意圖

圖2 萬能角度尺

螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的技術(shù)背景

現(xiàn)代螺旋槳飛行器大多采用槳葉角可調(diào)節(jié)的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據(jù)飛行的實(shí)際需要來調(diào)整槳葉角，以提高螺旋槳的工作效率、保證飛行安全。由于螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中，槳根和槳尖的圓周速度不同，所以，為了保持槳葉各部分都處于最佳空氣動(dòng)力狀態(tài)，通常把槳根的槳葉角設(shè)計(jì)成最大，沿槳葉徑向依次遞減，槳尖的槳葉角最小。一般來講，在螺旋槳未裝機(jī)前測(cè)量螺旋槳的槳距角是比較容易進(jìn)行的，通常以水平面為基準(zhǔn)參考面，然后利用萬能角度尺（如圖2所示）即可測(cè)定。但是，當(dāng)螺旋槳安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上以后，基準(zhǔn)參考面很不容易確定，所以要直接測(cè)量螺旋槳的槳距角就比較困難。以往測(cè)量螺旋槳槳距角采用的方法通常是：一個(gè)人先用兩只手將基準(zhǔn)參考面推按在螺旋槳槳平面上，使之與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面平行，然后另外一個(gè)人再利用萬能角度尺測(cè)量。這種測(cè)量方法的缺點(diǎn)是顯而易見的：一方面，基準(zhǔn)參考面沒法固定安裝，工作人員用手抓持、推按都容易使其產(chǎn)生晃動(dòng)或者傾斜，經(jīng)常造成測(cè)量誤差較大、測(cè)量數(shù)值不夠準(zhǔn)確、損傷變距電機(jī)等等影響試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果的問題；另一方面，完成這項(xiàng)工作需要兩個(gè)人同時(shí)配合協(xié)作，耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間，工作效率較低。工作的需要就是科技創(chuàng)新的動(dòng)力，所以，新的螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x就是在這種背景下研發(fā)設(shè)計(jì)的。

新螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)理念

圖3 螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的安裝

以前傳統(tǒng)螺旋槳槳距測(cè)量方法存在的不足，實(shí)際上也是研究開發(fā)新的槳距測(cè)量?jī)x所要解決的主要矛盾。所以，設(shè)計(jì)新螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x所要秉持的理念即：一是要建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)參考面，而且要操作簡(jiǎn)單、安裝方便；二是要節(jié)省人力，方便易行；三是要節(jié)省材料、減輕重量、節(jié)約成本。所以，針對(duì)第一和第二個(gè)設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)時(shí)選擇螺旋槳變槳距電機(jī)為安裝基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)參考面板件的一端用合頁式卡箍懸掛在變槳距電機(jī)外側(cè)，再用螺栓配合元寶螺母鎖緊，以達(dá)到快速穩(wěn)妥固定的目的，其原因在于變槳距電機(jī)軸向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面相互垂直，基準(zhǔn)參考面板件固定好后，能夠保證基準(zhǔn)參考面與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面平行。合頁式卡箍與變槳距電機(jī)接觸面之間要加墊比較薄的膠皮，目的在于不損傷電機(jī)且保證兩者之間能夠穩(wěn)定接觸（如圖2所示）?；鶞?zhǔn)參考面板件的設(shè)計(jì)尺寸為：寬80mm，長695mm，厚13mm，其末端正對(duì)槳葉長度的75%處，如圖3所示。在基準(zhǔn)參考面板件末端正面有一直角開槽，其作用是使用萬能角度尺時(shí)可以將其測(cè)量尺部分與直角開槽貼合卡緊，以便于測(cè)量時(shí)不會(huì)發(fā)生側(cè)滑。針對(duì)第三個(gè)設(shè)計(jì)理念，基準(zhǔn)參考面板件使用的材質(zhì)設(shè)計(jì)為鋁合金。由于鋁制品表面的自然氧化鋁既軟又薄，耐腐蝕性較差，不能成為有效防護(hù)層，所以本產(chǎn)品對(duì)其表面進(jìn)行了黑色陽極化處理，以提高其抗蝕性和硬度。另外，為了節(jié)省材料、減輕重量、節(jié)約成本，基準(zhǔn)參考面板件測(cè)量端中間過渡段加工為空心，而且固定端與測(cè)量端分開加工，使用螺接方式進(jìn)行連接，重量大約為0.7kg。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖4、圖5、圖6。

螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的使用

使用方法

螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的使用方法簡(jiǎn)單易行。首先，將基準(zhǔn)參考面用合頁式卡箍和一個(gè)銷釘固定在螺旋槳變距電機(jī)上，調(diào)整基準(zhǔn)參考面與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面平行且二者同時(shí)與地面垂直，再用萬能角度尺測(cè)量尺端卡在基準(zhǔn)面底端，旋轉(zhuǎn)萬能角度尺的調(diào)整螺釘使萬能角度尺另一邊與槳葉頁面貼合，然后擰緊鎖緊螺釘，讀取萬能角度尺上的角度值即為所要測(cè)量的槳距角（如圖7所示）。如果要測(cè)量另外一個(gè)槳葉的槳距角時(shí)，則先要松開元寶螺母，按螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳，至基準(zhǔn)參考面和槳葉都與地面垂直時(shí)再擰緊元寶螺母，然后按上述測(cè)量方法依次進(jìn)行，所有工作一個(gè)人即可完成。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x不僅可以滿足工作需要，快速、準(zhǔn)確測(cè)量螺旋槳槳距角，而且攜帶方便、節(jié)省人力，明顯提高了工作效率。

圖4 螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x配件1

圖5 螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x配件2

圖6 螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x配件3

使用注意事項(xiàng)

（1）合頁式卡箍與變距電機(jī)之間的固定要穩(wěn)固，不能左右或前后搖晃，防止影響測(cè)量精度甚至損壞變距電機(jī)；

（2）螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的基準(zhǔn)參考面要與被測(cè)槳葉平行且二者同時(shí)與地面垂直；

（3）萬能角度尺測(cè)量尺與基準(zhǔn)參考面及測(cè)量面的貼合要緊密；

（4）在換測(cè)另一個(gè)槳葉的槳距角時(shí)，一定要先松開元寶螺母，然后才能轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳；

圖7 萬能角度尺與槳距測(cè)量?jī)x的配合使用

（5）螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的存放要穩(wěn)妥，防止損傷變形。

應(yīng)用效果

目前，這種螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x已經(jīng)研制成功，形成產(chǎn)品。在實(shí)際工作中，該產(chǎn)品有效地解決了飛行器可變距螺旋槳槳距角測(cè)量難的問題，明顯提高了工作效率，受到廣大用戶的普遍青睞。因其操作簡(jiǎn)單方便、使用效果良好，所以現(xiàn)在已經(jīng)被定型為某型飛機(jī)的隨機(jī)設(shè)備。

螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見

優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器而言，該螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的優(yōu)點(diǎn)在于攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低廉、穩(wěn)定可靠、不易損壞、制造維修方便等等。但是，從研究者的角度來看，該產(chǎn)品略顯不足之處在于：這種螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x屬于全機(jī)械裝置，基準(zhǔn)參考面的安裝、調(diào)整以及槳距角測(cè)量值的讀取等，完全要通過人工來完成，與利用光電掃描、電子計(jì)數(shù)等先進(jìn)技術(shù)的測(cè)量?jī)x器相比，這種螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x延長了測(cè)量時(shí)間，增加了測(cè)量誤差，降低了測(cè)量精確度。

改進(jìn)意見

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，光電遙感等新技術(shù)和特種塑料等新材料在科研生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。考慮到螺旋槳槳距測(cè)量?jī)x的實(shí)際工作情況，建議在進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)中從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：一是將其角度測(cè)量部分加以改良，使其能夠利用光電掃描、電子計(jì)數(shù)等先進(jìn)技術(shù)科學(xué)快速的測(cè)量槳距角，進(jìn)一步提高槳距測(cè)量?jī)x的便捷性和準(zhǔn)確性；二是在基準(zhǔn)參考面的安裝固定部分，可以考慮使用磁性材料，省去反復(fù)擰緊螺母的麻煩；三是基準(zhǔn)參考面使用的鋁合金材料可以考慮換為某種特殊塑料，既可以降低成本，又可以方便加工。當(dāng)然，最終的改進(jìn)方案需要在這幾個(gè)方面之間達(dá)成平衡，使新的產(chǎn)品使用更方便、效率更高、成本更低?！?/p>