文章作者：Lauren Nagel
人们普遍认为，至少在理论上，单叶螺旋桨的效率高于同尺寸的多叶螺旋桨。这种现象有几种不同的解释，我们将在下文中深入探讨。
我们决定对这一理论进行验证，比较同品牌单叶无人机螺旋桨与双叶螺旋桨的性能。
请继续阅读，查看我们意想不到的结果。
目录：
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为什么单叶螺旋桨效率更高
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实验设置
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结果：单叶与双叶螺旋桨对比
- 转速与推力
- 螺旋桨效率
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整体效率
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讨论：性能权衡与干扰因素
1. 为什么单叶螺旋桨效率更高
单叶螺旋桨在少数情况下已投入商业使用，包括改装的派珀卡布和动力滑翔机，但在其他领域尚未得到广泛采用。
考虑到单叶机型据称比多叶机型效率更高，这一现象有些令人意外，那么为什么它们没有更普遍地被采用呢？
让我们首先了解单叶螺旋桨效率提升背后的理论。
一种理论认为，叶片越少，产生消耗能量的叶尖涡流就越少。这些涡流可能会导致低前进比时的能量损失，因此减少涡流可以提高效率。
另一种主流理论认为，单叶螺旋桨效率更高，是因为它们不会受到其他叶片产生的尾流湍流影响，从而在受干扰较小的空气中旋转。
为了验证这一理论在实际中是否成立，我们使用Flight Stand 15对其进行了测试。
图1：测试同品牌同尺寸的单叶与双叶螺旋桨
2. 实验设置
在本次实验中，我们采购了一套碳纤维螺旋桨，并将其中一个改装成单叶螺旋桨。然后，我们在不同转速范围内进行了简单的阶梯测试。
制作单叶螺旋桨
制作单叶螺旋桨的过程相当简单：
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切除其中一个叶片的大部分
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在剩余叶片的中心钻一个孔
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在孔中固定螺栓
图2：改装后的单叶螺旋桨近景
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使用静态平衡器粗略平衡螺旋桨，调整螺栓和/或添加垫圈，直到肉眼可见平衡
图3：安装在静态平衡器上的单叶螺旋桨
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使用Flight Stand对螺旋桨进行动态平衡，添加胶带以获得可接受的ISO质量等级（6.996 G）
图4：使用Flight Stand软件平衡单叶螺旋桨
虽然我们的目标是达到6.3 G的质量等级，但尽管进行了多次尝试并不断进行更精确的配重调整，仍无法实现（详见第4节讨论）。
Flight Stand 15通过测量振动来评估系统平衡质量，因此螺栓的空气动力学效应可能会影响结果，或者配重轴向位置需要两平面平衡，又或者不平衡推力仅仅造成了更多噪音……
双叶螺旋桨在没有任何改装的情况下达到了5.552 G的质量等级。
单叶螺旋桨的最终质量为29克，而双叶螺旋桨的质量为18克。
我们使用了一个顺时针（CW）和一个逆时针（CCW）螺旋桨，因为这是我们手头有的，而且这种差异预计不会影响性能。
图5：改装后的单叶与双叶螺旋桨并排展示
为您推荐：如何平衡三叶螺旋桨
性能对比测试
使用Flight Stand软件，我们设计并运行了一个包含五个油门阶梯的自动阶梯测试：
- 1200 µs
- 1350 µs
- 1500 µs
- 1650 µs
- 1800 µs
以下是软件图形用户界面在首次测试完成后的截图。
图6：Flight Stand软件中的自动阶梯测试
3. 实验结果：单叶与双叶螺旋桨对比
转速与推力
在相同的油门输入下，单叶与双叶螺旋桨达到的转速几乎完全相同。最大差异出现在1650 µs，此时转速读数分别为2330和2318，仅相差12 RPM或0.5%。这表明我们的电调（ESC）以闭环方式控制转速，因为两款螺旋桨的负载差异很大。
在相同的转速下，双叶螺旋桨的推力输出明显高于单叶螺旋桨。这一结果并不令人意外，因为双叶螺旋桨产生升力的面积几乎是单叶螺旋桨的两倍。随着转速增加，这种差异变得越来越明显。
图7：单叶与双叶螺旋桨的推力与转速对比
螺旋桨效率
当我们绘制螺旋桨效率图（计算方法为推力（gf）除以机械功率（W））时，可以看到在所有转速下，单叶螺旋桨的效率都高于双叶螺旋桨。这与第一节讨论的理论相符。
图8：单叶与双叶螺旋桨效率与转速对比
然而，当我们以比较等效飞行效益条件为目的，绘制螺旋桨效率与推力的关系图时，可以看到单叶螺旋桨仅在较低推力下才能保持更高的效率。
图9：单叶与双叶螺旋桨效率与推力对比
延伸阅读：风速如何降低螺旋桨效率
整体动力系统效率
观察整体动力系统效率（计算方法为推力输出（gf）除以电功率输入（W））时，我们发现双叶系统在所有转速下的效率都更高。随着转速增加，两个系统的效率都在提高，并在约2500 RPM后趋于平缓。
最大绝对差异出现在1500 µs和1720 RPM，此时双叶螺旋桨的整体动力系统效率比单叶系统高出1.89 gf/W。最大百分比差异出现在1200 µs和495 RPM，此时双叶螺旋桨的效率高出65%。
图10：单叶与双叶推进系统动力系统效率与转速对比
这可能是由于系统电机与电调的效率，即机械功率输出与电功率输入之间的比例所致。与单叶系统较高的螺旋桨效率相比，双叶系统表现出明显更高的电机与电调效率。
本次实验所选用的螺旋桨属于适合该电机的较小尺寸螺旋桨，而单叶螺旋桨由于产生的扭矩较小，对该电机而言可能更不合适。
在低于电机最大效率区间运行的结果是，尽管在推力低于0.175 kgf时螺旋桨效率更高，但单叶螺旋桨在整个推力和转速范围内，整体动力系统效率仍然较低。
在后续实验中，我们可以进行一些改装，以比较螺旋桨在理想条件下的性能。我们将在下一节讨论这些要点。
查看我们的 电机效率绘制指南，以进一步了解如何测量电机效率。
讨论：性能权衡与干扰因素
性能权衡
虽然单叶螺旋桨在低推力值下确实表现出更高的效率，但我们也必须承认使用它们所带来的性能权衡。
首先，为了实现平衡，配重必须比被移除的原始叶片更重，因为质量现在更靠近轮毂。配重基本上是死重，因为它不产生升力，但可能会增加阻力（在我们的设计中几乎肯定会增加）。
此外，单叶螺旋桨没有得到更广泛采用的主要原因之一是它们会产生高水平的振动。这种振动会贯穿整个系统，导致不可忽视的后续影响，例如缩短轴承和组件的使用寿命。无人机中振动带来的后果可能是严重的。
最后，在本次实验中，我们研究了单叶与双叶螺旋桨在静态条件下的性能差异，但这并不一定能代表它们在飞行中的性能。未来，我们可以使用Windshaper在模拟飞行条件下进行相同的测试，以获得更接近实际的结果。
干扰因素
本次研究完成的实验实现了其目标，使我们能够比较单叶与双叶螺旋桨的性能。尽管如此，仍有一些干扰因素使得比较并不完美。
首先，单叶螺旋桨上的配重体积庞大，且不够气动。在理想情况下，我们会制造一个带有完美流线型配重的螺旋桨，使其达到ISO平衡质量等级为<6.3 G。这可能会带来比我们观察到的更好的性能。
接下来，出于移动性和安全原因，我们的Flight Stand 15安装在手推车上，因此测试是在围栏环绕螺旋桨的情况下进行的。这无疑会影响局部动力学和螺旋桨性能，但我们相信这种影响在每次测试之间相当一致，从而保持了比较的有效性。
此外，如上所述，我们本次实验使用的电机可能对所测试的螺旋桨来说过大。由于我们测量的是扭矩和机械功率，这不会影响结果的有效性。但是，如果我们正在为真实的无人机进行设计，我们会将相同的螺旋桨安装在较小的电机上（或在同一电机上使用更大的螺旋桨），以便在电机的峰值效率区间运行。这将改变整体动力系统性能方面的最终结果。
最后，本次实验我们专注于让螺旋桨通过完全相同的测试，而不是在相同的性能指标下对它们进行比较。如果能专注于使用单叶和双叶螺旋桨获得相同的推力，可能会很有趣，无论是通过使用不同的转速，还是接受具有不同形状和直径的叶片。也就是说，测试直径是双叶螺旋桨两倍的单叶螺旋桨，并在相同的推力下比较它们的功率和效率。
在实际环境中，我们还必须考虑，单叶螺旋桨所能达到的最大推力比双叶螺旋桨更有限。如果没有巨大的性能损失，我们不能让螺旋桨尖端超过音速。
总结
总之，我们的结果支持这样一种观点，即单叶螺旋桨确实比同尺寸的多叶螺旋桨更高效。尽管如此，效率的提升伴随着性能上的权衡，包括推力输出降低、质量增加、振动更高以及组件更快退化。
感谢您抽出时间阅读本文，希望它能为您提供有用的信息。 如果您对未来的测试有任何问题或建议，请在下方评论中告知我们。
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