无人机动力测试台的应用-测试高转速下的无人机螺旋桨结冰和脱落

2019年，加拿大国家研究委员会(NRC)发布了一份《关于高转速下无人机螺旋桨结冰》的报告。在第1阶段和第2阶段的两份报告中描述了他们的程序和结果，我们在本文中总结了他们的主要发现。

内容简介

螺旋桨结冰是无人机操作员和设计人员众所周知的危险。对天气条件的错误估计可能导致巨大的事故和损失。正如本报告所示，结冰条件下的性能变化是非线性的，并且可能具有欺骗性，可能导致操作员低估无人机的危险。 

图1：NRC高度结冰风洞中的试验台设置

NRC试图增加这方面的知识，因为“这些螺旋桨在高转速(RPM)下结冰的数据几乎不存在”。他们的目标是进行有针对性的结冰测试，以描述高转速下小型UAS螺旋桨的结冰情况，评估结冰对测试的小型UAS螺旋桨性能的影响及其对结冰的耐受性，并建立小型UAS结冰数据的基线数据库高转速的螺旋桨。

他们研究了影响飞行过程中螺旋桨结冰的六个主要变量： 

1. 水滴尺寸的中值体积直径(MVD)，以μm为单位
2. 测试区域的液态水含量(LWC)，单位为g/m3
3. 静态空气温度(SAT)，以℃为单位测量
4. 转子速度，在8000RPM和9000RPM下测量
5. 侧滑角，在0°和30°处测量
6. 刀片材料，碳纤维(CF)与玻璃纤维增​​强塑料(GFR)

测试在NRC的海拔结冰风洞内进行（图2）。风以15m/s的速度通过测试部分，而结冰喷洒系统提供水滴以模拟结冰条件。 

图2：NRC的高空结冰风洞布局

电机性能使用RCbenchmark系列1580测试台进行评估，能够测量5kgf的拉力和1.5Nm的扭矩。除了拉力和扭矩之外，测试台还提供了有关电压、电流、RPM、电机绕组电阻和效率的信息。在试验台上设计并安装了一个定制机舱，以保护设备免受水损坏（图3）。测试台还包括一个Turnigy 2834-800无刷直流电动机、一个Hobbyking 50A电子速度控制器(ESC)和一个4s Lipo(14.8v DC)电源。

图3：用于保护测试设备免受水损坏的机舱结构

实验中测试了四个螺旋桨，直径从8英寸到14英寸不等。四个螺旋桨中的三个由碳纤维(CF)制成，第四个由玻璃纤维增​​强(GFR)塑料制成。它们的特性总结在表1中。对于所有实验，将拉力减少50%设置为结束测试的截止值。 

表1：实验使用的螺旋桨特性

第1部分：水滴尺寸的中值体积直径(MVD)

第一轮测试着眼于水滴大小对三个CF螺旋桨的积冰和推进性能的影响。水滴的MVD设置为20、40 或60μm, 同时将其他参数保持在RPM=8000、TAS=15m/s、AOS=0°、SAT=-12°C和LWC=0.5g/立方米。

对于所有MVD值的螺旋桨，积冰开始对拉力产生影响大约需要20秒，导致拉力N缓慢而逐渐下降。对于Prop1, 拉力的减少在MVD=20μm和40μm时短暂经历了一个平台期，然后又恢复了下降。对于Prop1, 在MVD=60μm时未观察到这种效应，而对于Prop21和Prop3, 观察到“相似但较短的平台期”。有趣的是，Prop1达到50%拉力所需的时间（75-130秒）是Prop21（48-64秒）和Prop3（40-47秒）的两倍（图4a）。 

图4：拉力增加(a)和扭矩下降(b)在不同MVD值下随时间推移

积冰还导致电动机的扭矩和电力增加。在50%的拉力下，Prop1已达到相对于结冰事件开始时的值的150%扭矩（图4b）和100%电力（图5）。100%和60%的Prop21和40%和25%的Prop3的扭矩和电力增加更为温和。

图5：电力随着积冰时间的增加而增加

研究人员将拉力高原因归于冰脱落和或向螺旋桨叶片尖端回流的冰。每个螺旋桨在MVD=60μm时达到50%拉力所需的总冰量和时间如表2所示。所需时间随着螺旋桨直径的增加而减少。 

表2：在MVD=60μm 时螺旋桨达到50%拉力的冰量和喷射时间

第2部分：液态水含量(LWC)

这一系列测试旨在研究测试区域内不同LWC对螺旋桨结冰和性能的影响。LWC设置为0.2、0.5或1.0 g/m3, 而其他变量在RPM=8000、TAS=15m/s、AOS=0°、TAS=-12°C和MVD=20μm时保持不变。

与MVD相比，LWC对结冰耐受性具有相似但更显着的影响。随着LWC的增加，达到50%拉力所需的时间减少。三种LWC值的积冰时间存在显着差异，LWC=0.2g/m3 需要20-50秒才能达到50%拉力，0.5g/m3需要45-130秒，1.0g/m3 需要120-430秒。与MVD结果类似，所有三个LWC值的拉力都处于平稳期，尽管与1.0g/m3相比，0.2和0.5g/m3 的平稳期更为显着。相应地，在LWC=1.0g/m3时没有观察到冰脱落，部分解释了拉力下降到50%的速度更快（图6）。 

图6：LWC=0.2g/m3（左）而不是LWC=1.0g/m3（右）时的冰脱落

同样与MVD结果相似，观察到扭矩和电力增加，在LWC=0.5g/m3时最高。在此LWC水平上，Prop1的扭矩和电力增加分别为130%和80%，Prop21为100%和60%，Prop3为30%和20%。

总体而言，LWC对结冰耐受性的影响比MVD更显着，正如LWC=1.0g/m3 时达到50%拉力所需的时间减少所证明的那样（表3）。 

表3：在LWC=1.0 g/m3时螺旋桨达到50%拉力的冰量和喷射时间

第3部分：静态气温(SAT)

第三组测试通过研究-2°C、-5°C和-12°C三个SAT值，同时在PM=8000、TAS=15m/s时保持其他变量不变，观察了SAT对抗冰性的影响，AOS=0°、MVD=20μm和LWC=0.5g/m3。

所有三个螺旋桨在SAT=-12°C时拉力下降最快，其次是SAT=-5°C。有趣的是，在SAT=-2°C时，Prop21和Prop3从未达到50%的拉力，在整个实验中保持至少80%的原始拉力。在SAT=-5°C时，Prop1和Prop21经历了几个冰脱落周期，Prop1最终达到50%的拉力，但Prop21从未下降到那个点。Prop1是唯一一个在所有三个SAT值下都达到50%拉力的螺旋桨（图7）。

图7：不同SAT值下拉力增加(a)和扭矩下降(b)随着时间的推移

积冰和脱落也对振动水平产生影响。振动由试验台以重力加速度(g)的形式测量。当冰从螺旋桨脱落时，随着结冰的增加，振动增加，随后振动降低（图8）。 

图8：冰脱落循环引起的振动

第4部分：转子速度

下一组测试研究了9000RPM的结冰耐受性，比之前的8000RPM测试高1000RPM。在这些测试中，LWC和SAT是变化的，因为这些变量对公差的影响比之前测试中的MVD更大。
总体而言，将转速提高到9000RPM不足以导致积冰和拉力损失的显着变化。这在图9中得到了证明，该图比较了SAT=-12°C、MVD=20μm和LWC=1.0g/m3的最坏结冰条件与Prop21在 8000 RPM 和9000RPM下的归一化拉力。 

图9：Prop21在8000RPM和9000RPM时随时间的标准化拉力

调查人员在测试后对螺旋桨叶片进行了目视检查，并注意到在某些条件下，在 9000 RPM 时有更多的冰脱落。但是，这并没有导致两个条件之间的显着性能差异。

第5部分：侧滑角

第五组实验旨在测量无人机在向前飞行中的螺旋桨结冰容限，通过将螺旋桨倾斜到相对于风洞气流的30°侧滑角(AOS)来模拟。旋转速度设置为8000RPM, MVD设置为20μm。LWC在0.2、0.5和1.0g/m3之间变化，SAT在-2、-5和-12°C之间变化。

在结冰事件开始时，他们观察到动态拉力增加，这归因于螺旋桨在30°时看到的有效空速下降，即13m/s而不是15m/s。30°角不会导致Prop21的结冰容限出现明显差异，在最坏的结冰条件下（SAT=-12°C, MVD=20μm和LWC=1.0 g/m3）再次进行了测试（图10）。

图10：Prop21在0°和30°AOS时的归一化拉力

第6部分：叶片材料

最终测试研究了GFR叶片与CF叶片相比的不同结冰耐受性。GFR螺旋桨(Prop22)在与具有相同直径(Prop21)的CF相同的条件下进行测试，将AOS保持在0°，RPM保持在8000，而LWC在 0.2、0.5和1.0g/m3之间变化，SAT为在-2、-5和-12°C之间变化。

观察到GFR螺旋桨的两个主要差异，第一个是与LWC=0.2g/m3的Prop21相比，拉力下降更快。第二个区别是，在SAT=2°C（图11）冰脱落之前，Prop22的拉力下降了约25%，这种情况不会影响 Prop21的拉力。结果，扭矩和电力相应增加，这在Prop21中也没有观察到。否则，在相同条件下，GFR螺旋桨的抗结冰能力与CF螺旋桨非常相似。

图11：Prop22的拉力、扭矩和功率与积冰时间的关系

结论

这项研究在描述小型无人机螺旋桨在高转速下的结冰耐受性方面做得非常出色。结果提出了无人机操作员可以利用的几个实用要点。

首先，由于叶片上积冰，较大的螺旋桨需要更短的时间才能将拉力降至50%，这表明螺旋桨直径在结冰耐受性中起作用。此外，GFR叶片比CF叶片更不易结冰，更容易失去拉力。

该研究还表明，如果绩效指标没有被很好地理解，它们可能会产生误导。在几次测试中，由于螺旋桨上的冰脱落，拉力下降经历了一个平台期。这种影响可能导致无人机操作员相信结冰影响已经达到顶峰，然而，在这些高原之后，拉力急剧下降。这些实验证实，螺旋桨结冰在没有干预的情况下通常会变得更糟而不是更好，因此无人机操作员应该非常熟悉性能变化背后的含义。

NRC的研究人员期待着用更大的螺旋桨进行更多的实验，从而进一步增加这个知识库。