基于《原子之心》的双/四旋翼运载无人机动力系统方案设计（娱乐向）

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注：以下内容基于23年秋发动机研制的系统工程方法课程开放式展示讨论，其中包含大量简化到不能再简化的讨论，并缺少许多必要的实际工程验证内容，也可能有错误，几乎不具备实际应用价值，仅供娱乐。
要求及参考选题如下：

选题（12），基于原子之心的双/四旋翼运载无人机动力系统方案设计。
1.需求分析
根据官方艺术设定集，可以得知Drofa无人机（中文译为“鸨”，但并没有查到Drofa所代表的动物，不清楚Drofa到底是什么）的飞行速度为30英里每时，换算成公里约50km/h，载荷有几百磅，取两百磅多一点，就有100kg。

在谢切诺夫办公室门口的走廊里，会发现有各种机器人的模型和立牌，其中Drofa无人机的立牌显示其速度与之前估计一致，重量150kg，没有特别说明是本体还是满载重量，以下认为满载重量为150kg。因此机体重量只有50kg。由于缺少其他参数信息，根据大疆无人机中的运载款(FlyCart 30)数据，将其当作Drofa无人机的数据。

2.动力选配(1)
根据当下无人机的主流动力来源，选择无刷直流电机驱动，叶片采用官方的“阿基米德螺旋形叶片”，布置方式为左右对称布置，且两个螺旋桨旋向相反，转动方向也相反。高度调节通过控制转速实现。前后移动通过两个螺旋桨共同前倾或共同后倾实现。原地左右转动通过两个螺旋桨一前一后倾斜来实现。

3.方案设计(1)
在最简化的情况下计算。由于这种阿基米德螺旋式的球形叶片不好计算，先将其替换为等直径的普通螺旋桨（不是等效替换）。也就是换成普通双旋翼螺旋桨驱动。目测球形直径1m，考虑直径1米的螺旋桨，在悬停状态下的升力。螺旋桨升力计算仍然可以采用机翼升力公式，忽略一切阻力并选取参数后，计算得到叶片角速度要达到140r/s。显然这一结果不符合常理，每秒140转的螺旋桨基本没有在生活中见过。而同样直径的螺旋桨如果要叶尖超声速，其角速度也在600r/s以上，因此这个转速并没有突破这一极限。也能查到万转左右的电机。
考虑材料的抗拉强度。因为之前忽略阻力，考虑转速在250r/s的叶尖处拉应力。估算参数后得到拉应力在钛合金材料的抗拉强度范围内，能够承受。
实际精细计算翼型升力需要考虑更多复杂因素，阿基米德螺旋的参数方程也有，应该可以得到更具体的结果。而目前为止该方案的螺旋桨看似并没有突破物理极限。

4.分析确认(1)
除了叶尖速度和拉应力外，还需考察所需电池重量和电机功率。
采用大疆的数据，满载飞行时间约18分钟。螺旋桨功率用拉力×叶尖速度，得到单螺旋桨就需要超过50kW的电机。而如果采用较新的锂离子电池密度实验室成果，仍需要44kg的电池。根据之前的安排，机体重量只有50kg，因此在这种配置下无法满足100kg的载荷要求。但如果牺牲载荷量，应该足以满足满载150kg的要求。
此外，以上方案存在致命问题。一是50kW每分钟超万转的电机目前似乎并不存在，双旋翼方案做不出来。二是如果按原子之心原版的球形螺旋桨设计，巨大的螺旋桨看上去很漂亮，也是原子之心独特的视觉标志（不知道之前是否有类似设计），但实际升力惨不忍睹，远不如同直径下的螺旋桨升力。第三没有进行扭矩校核（有点麻烦。。）。

重新进行动力方案设计。采用如今成熟的四旋翼无人机布局。经过上述同样的计算方式，可得每个旋翼半径R=2.2m、角速度5r/s比较符合实际。此时需要电机转速300r/min，功率4kW。查到的电机可以通过配备减速器来实现，大部分直升机也都有减速器。电池质量也大大降低，不用再让载荷腾出空间。

4.分析确认(2)
仔细想想之前的功率计算其实并不合理。用螺旋桨的升力×叶尖线速度得到的是什么功率呢？
重新分析螺旋桨和气流的作用。桨叶远上方气流静止，桨叶下方气流速度设为V，由动量定理和悬停平衡状态可解得V。重算双旋翼方案，其叶片下方气流速度已远远超过声速，显然这种方案是没法实现的。而四旋翼方案的速度结果比较合理。此时如果认为螺旋桨功率=排开气流的功率，就可以算出单电机功率约7.2kW和总电池质量12.1kg，较为合理。
为了凸显原子之心的球形螺旋桨特色，并不像将四旋翼按照常见十字形方案布置，而是对称在左右两侧，同时每侧的螺旋桨包络面都处于一个球面上。四旋翼可能效果不明显，如果旋翼数量更多就会更接近球形。但是，这样的设计会导致螺旋桨之间的气流耦合，很可能会降低整体的螺旋桨效率，甚至也会出现飞不起来的情况。可能通过精细的参数设计调整，能够勉强实现飞行？（除去一切限制因素，载荷、自重、尺寸什么的都不重要，能飞起来就算成功）

动力系统初步估算完成后，使用系统工程V模型分析整个产品开发设计流程。

致谢
除了以上角标引文外，特别感谢萌萌战队老师，在我咨询原子之心球形螺旋桨的升力问题后做了期视频讲解，顺便介绍了一波先进的下一代斜流发动机。在4.分析确认(1)一节中关于球形螺旋桨无法提供足够升力的内容均为老师分析内容。

附
Workstation太多，Playstation太少。小岛“From Sapiens to Ludens”的理念愈发契合当下。