2019年，加拿大国家研究委员会（NRC）发布了一份关于无人机螺旋桨在高转速下结冰的报告。其测试程序和结果在关于第一阶段和第二阶段的两份报告中有所描述，本文总结了其中的主要发现。
引言
螺旋桨结冰是无人机操作人员和设计人员熟知的危险。对天气条件的误判可能导致数千加元的损失，并造成宝贵飞行器的毁损。
正如本报告所示，结冰条件下的性能变化是非线性的，并可能具有误导性，从而导致操作人员低估无人机面临的危险。
NRC寻求扩大这一领域的知识储备，因为“关于这些螺旋桨在高速旋转（RPM）下结冰的数据几乎不存在”。
其目标是进行有针对性的结冰测试，以表征小型无人机螺旋桨在高转速下的结冰情况，评估结冰对所测小型无人机螺旋桨性能的影响及其耐结冰能力，并建立小型无人机螺旋桨在高转速下结冰数据的基准数据库。
他们研究了影响飞行中螺旋桨结冰的六个主要变量：
- 水滴大小的中值体积直径（MVD），以μm为单位测量
- 测试区域的液态水含量（LWC），以g/m³为单位测量
- 静态空气温度（SAT），以°C为单位测量
- 转速，分别测量为8000 RPM和9000 RPM
- 侧滑角，分别测量为0°和30°
- 叶片材料，碳纤维（CF）与玻璃纤维增强塑料（GFR）
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测试在NRC的高空结冰风洞中进行（图2）。风以15m/s的速度通过测试段，同时结冰喷雾系统提供水滴以模拟结冰条件。
电机性能采用RCbenchmark Series 1580测试台进行评估，该测试台可测量5kgf的推力和1.5N·m的扭矩。除推力和扭矩外，测试台还提供了电压、电流、转速、电机绕组电阻和效率等信息。
设计并安装了一个定制的机罩在测试台上，以保护设备免受水损坏（图3）。测试装置还包括一个Turnigy 2834-800无刷直流电机、一个Hobbyking 50A电子调速器（ESC）和一个4S锂聚合物（14.8V DC）电源。
实验中测试了四种螺旋桨，直径范围为8英寸至14英寸。四种螺旋桨中有三种由碳纤维（CF）制成，第四种由玻璃纤维增强（GFR）塑料制成。
其特性总结在表1中。对于所有实验，推力下降50%被设定为停止测试的截止条件。
表1：实验中所使用的螺旋桨特性
第1部分：水滴大小的中值体积直径（MVD）
第一轮测试考察了水滴大小对三种CF螺旋桨结冰累积和推进性能的影响。水滴的MVD分别设定为20、40或60 μm，同时保持其他参数恒定：RPM = 8000，TAS = 15 m/s，AOS = 0°，SAT = -12 °C，LWC = 0.5 g/m³。
对于所有螺旋桨的所有MVD值，结冰累积开始对推力产生影响大约需要20秒，导致推力（N）缓慢逐渐下降。
对于Prop1，在MVD = 20μm和40μm时，推力下降会短暂出现平台期，然后继续下降。Prop1在MVD = 60μm时未观察到此现象，而Prop21和Prop3则出现了“类似但更短的平台期”。
有趣的是，Prop1达到50%推力大约需要75 - 130秒，是Prop21（48 - 64秒）和Prop3（40 - 47秒）的两倍左右（图4a）。
图4：不同MVD值下推力增加（a）和扭矩下降（b）随时间的变化
结冰累积还导致电机扭矩和电功率增加。在推力达到50%时，Prop1的扭矩达到150%（图4b），电功率达到100%（图5），相对于结冰开始时的值。
对于Prop21，在100%和60%时，扭矩和电功率的增加较为温和；对于Prop3，在40%和25%时也较为温和。
图5：电功率随结冰累积时间增加
研究人员将推力平台期归因于冰脱落和/或向螺旋桨叶片尖端回流的冰。表2显示了MVD = 60 μm时，每种螺旋桨达到50%推力所需的总冰量和时间。
所需时间随螺旋桨直径的增大而减少。
表2：MVD = 60 μm时螺旋桨达到50%推力所需的冰量和喷雾时间
第2部分：液态水含量（LWC）
这一系列测试旨在研究测试区域中不同LWC对螺旋桨结冰和性能的影响。LWC设定为0.2、0.5或1.0 g/m³，同时保持其他变量恒定：RPM = 8000，TAS = 15 m/s，AOS = 0°，TAS = -12°C，MVD = 20 μm。
与MVD相比，LWC对耐结冰能力的影响相似但更明显。随着LWC增加，达到50%推力所需的时间减少。
三种LWC值下的结冰累积时间存在显著差异：LWC = 0.2 g/m³时需要20 - 50秒达到50%推力，0.5 g/m³时需要45 - 130秒，1.0 g/m³时需要120 - 430秒。
与MVD的结果相似，三种LWC值下推力都会出现一段时间的平台期，但与1.0 g/m³相比，0.2和0.5 g/m³的平台期更明显。相应地，LWC = 1.0 g/m³时未观察到冰脱落，这部分解释了推力下降到50%的速度更快（图6）。
图6：LWC = 0.2 g/m³时出现冰脱落（左），但LWC = 1.0 g/m³时未出现（右）
与MVD的结果相似，扭矩和电功率也出现了增加，在LWC = 0.5 g/m³时最高。在此LWC水平下，Prop1的扭矩和电功率增加分别为130%和80%，Prop21为100%和60%，Prop3为30%和20%。
总体而言，LWC对耐结冰能力的影响比MVD更显著，这从LWC = 1.0 g/m³时达到50%推力所需时间减少这一点得到证实（表3）。
表3：LWC = 1.0 g/m³时螺旋桨达到50%推力所需的冰量和喷雾时间
第3部分：静态空气温度（SAT）
第三组测试考察了SAT对耐结冰的影响，在保持其他变量恒定的情况下，研究了-2°C、-5°C和-12°C三种SAT值：RPM = 8000，TAS = 15 m/s，AOS = 0°，MVD = 20 μm，LWC = 0.5 g/m³。
三种螺旋桨在SAT = -12°C时推力下降最快，其次是SAT = -5°C。有趣的是，在SAT = -2°C时，Prop21和Prop3始终未达到50%推力，在整个实验中始终保持至少80%的原始推力。
在SAT = -5°C时，Prop1和Prop21经历了数次冰脱落循环，Prop1最终达到50%推力，但Prop21始终未下降到该程度。Prop1是唯一在三种SAT值下都达到50%推力的螺旋桨（图7）。
图7：不同SAT值下推力增加（a）和扭矩下降（b）随时间的变化
结冰累积和脱落也影响了振动水平。测试台以重力加速度（g）测量振动。
随着冰层增厚，观察到振动增大，随后当冰从螺旋桨脱落时，振动降低（图8）。
图8：冰脱落循环引起的振动
第4部分：转速
下一组测试研究了9000 RPM下的耐结冰能力，比之前的8000 RPM测试高出1000 RPM。在这些测试中，LWC和SAT被改变，因为在之前的测试中，这两个变量对耐结冰能力的影响比MVD更大。
总体而言，将转速提高到9000 RPM不足以引起结冰累积和推力损失的显著变化。
图9展示了这一点，它比较了Prop21在SAT = -12°C、MVD = 20 μm和LWC = 1.0 g/m³最恶劣结冰条件下的8000 RPM和9000 RPM归一化推力。
图9：Prop21在8000 RPM和9000 RPM下的归一化推力随时间变化
研究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，9000 RPM时的冰脱落更严重。然而，这并未导致两种条件之间出现显著的性能差异。
第5部分：侧滑角
第五组实验旨在测量无人机在前进飞行中的螺旋桨耐结冰能力，通过将螺旋桨相对于风洞气流倾斜至30°的侧滑角（AOS）来模拟。
转速设定为8000 RPM，MVD为20 μm。LWC在0.2、0.5和1.0 g/m³之间变化，SAT在-2、-5和-12 °C之间变化。
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在结冰开始时，他们观察到动态推力增加，这归因于螺旋桨在30°时看到的有效空速降低，为13 m/s而非15 m/s。
30°角除此之外并未引起Prop21耐结冰能力的明显差异，它再次在最恶劣的结冰条件（SAT = -12°C、MVD = 20 μm和LWC = 1.0 g/m³）下接受测试（图10）。
图10：Prop21在0°和30°AOS下的归一化推力随时间变化
第6部分：叶片材料
最后一次测试研究了GFR叶片与CF叶片不同的耐结冰能力。GFR螺旋桨（Prop22）在与CF螺旋桨（直径相同，Prop21）相同的条件下接受测试，保持AOS为0°，RPM为8000，同时LWC在0.2、0.5和1.0 g/m³之间变化，SAT在-2、-5和-12 °C之间变化。
GFR螺旋桨出现了两个主要差异，第一个是LWC = 0.2 g/m³时推力下降比Prop21更快。
第二个差异是Prop22在SAT = 2 °C时，在冰脱落前推力下降了约25%（图11），这一条件并未影响Prop21的推力。
因此，扭矩和电功率也相应增加，Prop21同样未观察到此现象。除此之外，GFR螺旋桨在相同条件下的耐结冰能力与CF螺旋桨非常相似。
图11：Prop22推力、扭矩和功率随结冰累积时间变化
结论
这项研究出色地表征了小型无人机螺旋桨在高转速下的耐结冰能力。结果提出了几个无人机操作人员可以利用的实际结论。
首先，随着冰在叶片上累积，较大螺旋桨下降到50%推力所需时间更短，表明螺旋桨直径在耐结冰能力中起着作用。此外，GFR叶片的耐结冰能力低于CF叶片，更容易损失推力。
研究还表明，如果性能指标不被充分理解，可能会产生误导。在几次测试中，由于螺旋桨的冰脱落，推力下降出现了平台期。
这种现象可能会让无人机操作员误以为结冰对推力的影响已达到峰值，然而，这些平台期之后紧接着就是推力的急剧下降。
这些实验证实，如果没有干预，螺旋桨结冰通常会进一步恶化，而非好转，因此无人机操作员应非常熟悉性能变化背后的含义。
NRC的研究人员期待能使用更大尺寸的螺旋桨进行更多实验，以进一步丰富这一知识库。
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