大疆Mavic设计师回答的正确么?

正文前面的话:

大家的回复这么积极,但由于还要研究和工作MR.城堡不能一 一回复了。在文首写出几点进行统一回复。

是不是过了呢?是不是吹毛求疵呢?

本文的初衷是探讨一个设计实现的理论问题,还能让大家一起感受一下理论在设计实现中的作用,这是很酷的。

提出来上面疑问的也许分为三类:

1)对方只是科普。


对于这样的观点,请看标题,本文探讨的是Mavic设计师的回答“是否正确”,而不是“是否是科普”,现在这样一个不认真的时代,真的是科普就可以错的理直气壮?MR.城堡觉得真正的科普作者一定不同意这类观点。

2)对方回答没错,只是不完全。

还是看标题“是否正确”,这不是完全不完全的问题,而是对错。MR.城堡认为Mavic在回答中的答复(无论是因为理论有问题还是“懒得”写详细或者是觉得在知乎读者面前不用写详细,还有一种可能当然就是MR.城堡额公式有错误)有问题:“由于这部分能量损耗与m的一次方成正比,与v的二次方方成正比,因此在保证同样动量的情况下,增加m,减少v,能够减少这部分能量损耗。”;“那么如何在减少空气速度的同时增加排出空气的质量呢?增加桨盘的面积,也就是增加桨的长度。”(认为MR.城堡可能以偏概全的朋友,可以进入传送门或者下面该段的完整引述),因此将Mavic工程师的话归结为:1.“这部分”能耗与质量一次方成正比,空气速度二次方成正比,因此减少排出的空气质量与速度可以降低能耗2.增加桨盘面积可以实现减少速度同时,增加排气质量,从而降低能耗。

最终结论:“增加桨盘面积”可以降低“这部分能耗”,这个结论有着清晰的推导逻辑,不必硬说他有别的含义。

他在原文中推导旋翼公式时没有涉及电机公式,只是在结尾“加上我们有专业的螺旋桨和电机研发团队,致力于优化飞机动力系统的效率,才让Mavic的续航碾压同行”,那么那句“如何在减少空气速度的同时增加排出空气的质量呢?增加桨盘的面积,也就是增加桨的长度。”就应该理解为单独的旋翼研究环境

MR.城堡之所以在文后加上了电机的叙述,是为了让读者不要被Mavic设计师的话带偏了,以为设计无人机动力部只要考虑旋翼就能搞定能耗,电机只是优化“效率”。(其实什么是“效率”呢?效率本身就不应该跟能耗率分开来说)

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1.首先能耗在后面公式推导的环境中(悬停):E_{R}/sec=\rho v_{1}^{3}A=\frac{T}{2} \sqrt{\frac{T}{2\rho A} }

请注意这与Mavic设计师第一个结论“由于这部分能量损耗与m的一次方成正比,与v的二次方方成正比”不同,应是与空气速度的三次方成正比,不是二次方


2.E_{R}/sec=\frac{\rho (\Omega R)^{3}\sqrt{a\alpha} }{8}

增加旋翼长度会增加能耗率

有的朋友说大疆一定全面考虑了,MR.城堡也相信,但在公式探讨时,只看论据和公式,不需要“替别人着想”。

3)说的详细没必要

有着这类想法却还在MR.城堡专栏中读文章……估计,仅仅是估计,你可能也不会把文章读完,文章也未必对你有益,你可以把时间放在更多不用探讨详细内容的方面上。这种内容在生活中有很多啊,现在的产品,生活,教育都在倾向于不用思考,不用在意细节,不用认真,“认真你就输啦”,所以社会上有很多配合你打发时间的地方,MR.城堡这里却不是如此,所以何必为难自己呢?


因此本文没有说:Mavic设计师不负责任,不全面,不认真。本文说,他在回答中的有些内容是错的,如果设计者、爱好者在实际无人机系统设计中按照他的回答进行设计会出现切实的问题。


MR.城堡欢迎更多理论探讨。如果大家回复不方便写出公式,可以写成文章,投稿在MR.城堡专栏里。

正如大疆所言,无人机设计是非常严肃的。


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回答者是署名为Mavic设计工程师的一位知友:传送门

2万多字介绍产品设计中的细节,答主写得非常认真详细,MR.城堡也跟着了解了很多内容。

其中有一段话,描述了Mavic提升续航能力的一种途径:


桨要大,越大越好,将能量转换为升力的效率就越高。(稍微解释一下:根据动量守恒原理,螺旋桨靠把空气向下加速,而获得一个向上的动量,抵御重力带来的冲量。这个动量=m*v,就是排出空气的质量m乘以排出空气的速度v。而这部分空气带走的能量为1/2*m*v^2,这部分能量是由飞机提供的,是要耗电的。由于这部分能量损耗与m的一次方成正比,与v的二次方方成正比,因此在保证同样动量的情况下,增加m,减少v,能够减少这部分能量损耗。也就是说,同样都是让飞机悬停在空中,这种方式能让耗损的电能更少。那么如何在减少空气速度的同时增加排出空气的质量呢?增加桨盘的面积,也就是增加桨的长度。) Mavic的8.3寸桨,长度是远超同类便携无人机的。加上我们有专业的螺旋桨和电机研发团队,致力于优化飞机动力系统的效率,才让Mavic的续航碾压同行。
(该段无删减引用,如引用错误,还望纠正)

根据该段内容,桨越大越好的原因在于更大的桨叶能够使系统耗能降低。果真如此么?

首先,研究旋翼升力有两种理论方法:Momentum Method,Blade Element。前者侧重于整体性,后者侧重于桨叶具体性能。

旋翼在旋转中会有空气入流,在不同情况下计算公式会有差别,无人机的续航在不同飞行情况下也是不一样的,续航时间一般是按照开机悬停时间或匀速运动时间为准,本文以悬停为例,进行公式推导(为了不让MR.城堡本身的翻译或思维影响大家,很多内容会用英文原文)。

旋翼旋转将整个空间分为两部分:the plane of the rotor, the region far below the rotor in the fully developed rotor wake.

旋翼每秒钟耗散的能量:E_{R}/sec=Force*Velocity=\rho v_{1}^{2}Av_{2} (ft \cdot lb/sec)

其中右手边公式变量从左到右依次为空气密度,rotor plane中的空气诱导速度(induced velocity),旋翼旋转面积,远端平面的空气诱导速度。

在上面公式中带入下面两个公式:

v_{2}=2*v_{1}
v_{1}=\sqrt{\frac{T}{2\rho A}}

其中T为旋翼升力。

带入后:E_{R}/sec=\rho v_{1}^{3}A=\frac{T}{2} \sqrt{\frac{T}{2\rho A} }

在这里我们起码能看到,严格意义上,能量耗散速率是与旋翼平面处诱导速度的三次方成正比

那么增加了旋翼长度也就是增加了A,之后E_{R}是不是就降低了呢?还要看增加旋翼长度对于T的影响。这时要用到叶素法。

对于单个旋翼升力,在叶素法中公式很直接:T=\frac{\rho}{2}(\Omega R)^2aA(\frac{\theta_{t}-\phi _{t}}{2} )

其中a就是升力曲线系数,后面括号里一坨就是effective angle of attack,在直升机中会进行变距,但是定距桨中可以代写为\alpha。由于那个回答中没有涉及到桨叶在这几个参数中有变化,姑且认为它们是常量(虽然严肃的设计中它们是会影响旋翼升力的)

我们把T带到之前的功率公式里:E_{R}/sec=\frac{\rho (\Omega R)^{3}\sqrt{a\alpha} }{8}

对于无人机动力部,一般将旋翼和电机看做一个整体,整个系统的耗能功率要综合考虑电机的二阶方程系数,以寻求最高的“力效值”。单独拿出一个旋翼来解释系统效率,不够全面。

此时旋翼增长,会三次方增加系统能耗速率。

不知是否我的计算有出入,还望指教。

撇开具体的回答的对错,希望读者能够体会到理论在实际设计中的使用。


参考文献(格式不规范):

1.Helicopter Performance, Stability, and Control

2.Principles of Helicopter Aerodynamics

3.Helicopter Flight Dynamics The Theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modelling Second Edition


另外,MR.城堡会在10月03日,21:00为大家带来第二场无人机主题Live分享:「无人机行业中的事业选择与发展

Live入口:Live

有兴趣的朋友,欢迎一同探讨。

“城堡无人机工作室”微信公众号:CastleUAVStudio

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