王晓伟

摘 要：研究了螺旋桨式发动机可用功率的计算方法，建立了螺旋桨-活塞发动机式小型无人机概念设计阶段可用功率估算的设计和计算模型。

关键词：小型无人机；螺旋桨；可用功率估算；活塞发动机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.237

0 引言

随着无人机应用范围的扩展，对无人机发动机性能的要求也越来越高。螺旋桨式活塞发动机在长期使用过程中体现了自身的优点，具有体积小、质量轻、耗油率低、低速时推力大、结构简单，便于维护等优点，因此世界上大多数小型低速无人机选择活塞式发动机。

小型无人机的飞行性能主要依靠动力装置，因此估算螺旋桨式活塞发动机的可用功率是小型无人机飞行性能计算过程中的重点之一。本文主要通过经验公式和估算曲线对发动机的可用功率进行估算。

1 螺旋桨特性及选择

螺旋桨可分为定距螺旋桨和恒速螺旋桨[1]。对于小型活塞发动机来说，定距螺旋桨具有成本低，结构简单的特点，所以被广泛采用。 螺旋桨桨距是指螺旋桨在不打滑和效率不损失的情况下，每转动一圈向前移动的距离。桨距和桨叶角互成比例[2]。

在确定发动机型号和性能之后，要实现飞行器能够进行长时间的巡航，可以找到与发动机匹配最佳的螺旋桨，使发动机在保证功率输出的情况下工作在较为经济的状态。所以在发动机定型后选择合理的螺旋桨至关重要。

在初步设计过程中，螺旋桨的直径选择方法进行估算。

一，根据桨尖速度限制进行估算。直径的估算公式为：

对于低速飞机，从材料角度区分，木质桨的桨尖速度Mtip要小于等于0.6马赫，金属桨小于等于0.8马赫。

二，从发动机功率进行估算，螺旋桨直径的估算公式为[2]：

式中：Hp是指发动机马力。该公式适用于10-600Hp的发动机。

螺旋桨直径的选择，若单从气动角度考虑，直径增大则效率就提高，但效率并不只是仅由直径决定的，同时直径加大，桨尖切线速度增大，螺旋桨噪声增高；另外，直径加大，螺旋桨重量增加，安装间距变小。因此，在选取螺旋桨直径时要注意综合分析、兼顾各方，以求取得最佳效果。

2 螺旋桨效率修正及可用功率计算

2.1 螺旋桨效率。

一般厂商提供的效率是自由效率。滑移损失的大小决定了螺旋桨效率的大小，一般螺旋桨效率为50% 一85% 。

2.2 螺旋桨效率修正。

根据发动机特性和螺旋桨直径，可求出螺旋桨的相对进距比J和功率系数与高度和飞行速度之间的关系，通过图1[2]可查得螺旋桨效率。

机身或短舱对气流产生阻滞作用，导致螺旋桨气动效果下降。机身对效率降低程度与螺旋桨直径相对机身大小有关[2]。此时，需对螺旋桨效率进行修正。其修正公式如下

Jeff——修正后的进距比，按此进距比在效率曲线图上查出的效率，才是进行飞机性能计算的真正效率。

有的螺旋桨厂商，按匹配飞机的具体情况，提供了已修正过的效率曲线，但一种修正，只适用于一种飞机。

2.3 发动机可用功率计算。

由于空气密度随高度变化，发动机的有效功率随高度变化而变化，详见公式（6）。其中，下标“H”表示高度为H时的参数，下标“0”表示高度为零时的参数。

根据公式（7）求得的发动机在空中的有效功率P，结合螺旋桨效率及其修正系数，利用经验公式可求得螺旋桨发动机可用功率。

根据以上公式，可以求出不同高度下发动机的可用功率。

3 结论

通过以上经验公式和曲线，可以得到一种计算螺旋桨式活塞发动机有效功率的计算方法。该方法简单有效，适用于初始总体设计阶段，可以迅速获得小型无人机性能估算需要的数据。

参考文献：

[1]李汝辉，吴一黄.活塞式航空动力装置[M].北京航空航天大学出版社，2008 .

[2]飛机设计手册，第13部——动力装置系统设计[M].航空工业出版社，2006.