多旋翼无人机螺旋桨的规格、材质和结构

（1）基本原理

螺旋桨由桨毂和桨叶组成，桨叶靠近桨毂的部分称为桨根，桨根的另一端称为桨尖，如图3.12所示。

在多旋翼无人机的电动动力系统中，电机仅仅是将电能转换成机械能，而螺旋桨才是真正产生升力的部件。螺旋桨是一个旋转的翼面，适用于任何翼面的诱导阻力、失速和其他空气动力学原理的也都适用于螺旋桨，其产生升力的原理与固定翼飞机的机翼产生升力非常类似，不同的是，多旋翼在飞行时，螺旋桨一面旋转产生升力，一面又要随飞机前进，所以其工作情况要比固定翼飞机的机翼复杂很多。

螺旋桨产生的升力大小依赖于桨叶的平面形状、桨叶的迎角和电机的转速。由于桨叶本身是负扭转的，因此桨叶角从桨根到桨尖是变化的，最大迎角在桨根处，最小迎角在桨尖处。扭转的原因是从桨根到桨尖能产生一致的升力，所以当桨叶旋转时，桨叶的不同部位线速度也不同，桨尖处的线速度比桨根处的要快，因为相同时间内桨尖旋转的距离比桨根处要长。如果桨叶设计成在整个长度上迎角相同，则螺旋桨的效率会非常低。

（2）桨径和桨距

1）桨径

桨尖与桨类之间的距离称为螺旋桨的直径，简称桨径，如图3.12所示。根据升力公式，同一个转速的螺旋桨，桨径越大，升力也越大。

图3.12　螺旋桨结构

2）桨距

桨叶剖面迎角为0时，螺旋桨旋转一周沿轴向移动的距离称为桨距，也称螺距，如图3.13所示。显然，桨叶的倾角越大，桨距也越大。同一个转速的螺旋桨，桨距越大，飞行的速度越快。

图3.13　螺旋桨的桨距

螺旋桨的规格型号用“厂家+四位数”的格式来表示，其中四位数的前2位是桨径，后2位是螺距，单位是in。如果桨径大于30 in，需除以10才是实际桨径；而如果螺距大于10，也需要除以10才是实际螺距。例如：DJI1555表示大疆生产的桨，桨径15 in，桨距5.5 in。

桨距分为理论桨距和实际桨距。理论桨距是假设螺旋桨在一种不能压缩和流动的介质中旋转，比如说豆腐，那么螺旋桨每转一圈就会前进一个距离，就像拧矿泉水的瓶盖时，每拧一圈瓶盖就走过一个螺距的距离一样，这就是桨距有时也称为螺距的原因。实际桨距就是考虑液体的可压缩性，在实际使用时螺旋桨每旋转一圈所前进的距离，一般情况下，实际桨距都会小于理论桨距。

（3）螺旋桨材质

按材质分，目前多旋翼无人机使用的螺旋桨主要有注塑桨、木桨和碳纤维桨等3种类型，如图3.14所示。3种桨性能不尽相同，适用场合也各有侧重。例如，航拍需要的是稳定和效率，所以小型多旋翼可选择APC或DJI的注塑桨，大载重的可以选择碳纤维桨，载重很大的话可以考虑选择木桨。

图3.14　无人机螺旋桨的3种材质

1）注塑桨

注塑桨也称塑胶桨或塑料桨，是指使用硬塑胶等复合材料制成的桨叶。目前市面上的注塑桨以美国APC公司生产的桨叶最为有名，质量最好，但价格高。

原装APC桨的效率很高，续航时间相对较长，小型多旋翼无人机使用原装APC桨时的续航时间甚至会优于木桨和碳纤维桨。但由于桨身比较软，大载重、高速、大拉力时会产生轻微变形，产生类似于电线在风中摆动一样的颤振，通俗来说就是悬停时录制的视频很稳，一旦高速飞，航线就容易抖。

针对这种情况，APC又推出了一种多轴专用的MR衍生系列桨叶，优点是增加了桨的硬度，减少了质量，再次提高效率，解决了之前高速转动时桨类的变形问题，缺点是价格贵，且难以找到合适的垫圈，需要自己找物料缩小孔径。

2）碳纤维桨(www.xing528.com)

碳纤维是一种与人造丝、合成纤维一样的纤维状碳材料。碳纤维的材料性能及模具加工工艺决定了碳纤桨有优异的刚度、硬度和准确的桨型，非常适合技巧性飞行和3D飞行。优点是在硬度和刚度上不易变形、效率高、颤振极小，是大多数航拍多旋翼的选择，并且某些桨体可以用螺丝固定免除桨打滑的烦恼。缺点除价格贵外，还需要自己手工做静平衡，上机后根据震动再调动平衡，极脆，碰到硬物易受损。

3）木桨

木桨的材料多为榉木，硬度高，质量轻，经过风干打蜡上漆后不怕受潮。木桨通常应用在固定翼无人机中，如果多旋翼无人机用木桨实际效率有可能会低于碳纤维桨和原装APC。但是优点在于震动极小、静平衡完美、无颤振、价格便宜等。如果你的多旋翼存在难以消除的果冻可以试试更换木桨。当然果冻的存在与电机的动平衡、机架的软硬、飞控的调参也有很大关系。

（4）螺旋桨与电机的匹配

电机与螺旋桨的匹配，电机、螺旋桨与多旋翼无人机整机的匹配，都是非常复杂的问题。为方便初学者学习，这里分享几条业内资深人士的成功经验。

1）部组件选择顺序

总体顺序：选布局→选桨→选电机→选电调→选电池。

基本原则：尽量选大桨，尽量低转速。

在装调一架有具体需求的多旋翼无人机时，对应搭载一定质量的任务设备和预定的飞行时间，可以先估算出总的起飞质量，留出冗余量核算出拉力。这个拉力可以用4个旋翼满足，也可以用6或8个旋翼满足；每个旋翼轴的拉力和功率可以用大桨配低速，也可以用小桨配高速。

这时优先选择X布局的四旋翼形式，尽量用最大尺寸的桨；如果上级或客户需求不允许，或结构布置不好再考虑用六或八旋翼形式换中尺寸的桨；如果是带边框的结构形式，桨的尺寸已限制得很小，那就得考虑增加转速，选高KV值电机；之后再分步选择电调和电池。

2）机桨匹配

大螺旋桨用低KV值电机，小桨用高KV值电机，因为需要用转速来弥补升力的不足。如果高KV值带大桨，扭矩不够，转不动或转不快，电机和电调很容易烧坏；如果低KV值带小桨，完全没有问题，只是转速升力不够，无法离地。

3）选择动力冗余配置

根据飞行器全重和电机厂家配以各类螺旋桨的测试曲线或表格，选择挂载全套设备后依旧有50%或以上动力冗余的螺旋桨与电机配置。多旋翼螺旋桨的拉力除用于悬停，还要用一部分力来前进后退、左右平移，最关键的还有抗风，所以建议保留一半动力来做这些动作，而且可使电池电压降低后不至于升力不足而“炸”机。

一个更具体的例子是，4个2212电机最大拉力3 300 g，整机质量不能超过最大拉力的2/3，也就是2 200 g，如果超过这个界限，那么电机就是高负荷运行，后果就是效率变低，电机震动变大，同时可能会影响飞控。

动力冗余对于六、八旋翼无人机来说，如一轴出现问题，飞控会让其对角轴停止转动，以便能保留动力完成降落或返航。但如果挂载设备后质量已经接近螺旋桨与电机配置的极限值，且其中一轴出现问题时，尽管飞控会尝试让其他几轴输出更大油门来稳定姿态，但最直接的结果可能会使电机电调迅速达到保护临界，电调烧毁，电机过热，随时会导致“炸”机。

4）四旋翼桨机匹配经典案例

①3S电池、全机总重1.8 kg以下，可用2216、KV800电机匹配APC1147桨；

②3S电池、全机总重2 kg以下，可用2810、KV750电机匹配APC1238桨；

③3S电池，全机总重2.5 kg以下，可用2814、KV700电机匹配APC1340桨；

④4S电池，全机总重2.5 kg以下，可有多种选择：2814、KV600电机匹配APC1340桨；3310、KV650电机匹配1238桨；3508、KV580或KV700电机匹配DJI1555或APC1540桨；4108、KV480或KV600电机匹配APC1447或1540桨；

⑤6S电池、全机总重3 kg以下，可选择：3508、KV380电机匹配DJI1555桨；4108、KV380电机匹配DJI1555桨；4010、KV320电机匹配DJI1555桨；4008、KV400电机匹配APC1447桨。